Сообщение элементы металлы в организме человека и их экологическая роль

Обновлено: 02.07.2024

Практически вся жизнь человека связана с металлами. Металлы находятся в составе многих окружающих нас предметов, техники, транспорта. А металлы в свободном состоянии могут образовывать соли и даже входить в состав человеческого организма. Да что там могут — они необходимы человеческому организму для нормального функционирования и развития.

Роль металлов в развитии человечества огромна. Прочность, пластичность, непроницаемость, твердость, ковкость — все эти характеристики сделали металлы ключевым материалом для создания орудий труда, оружия, техники. В истории имели место бронзовый и железный век, Серебряный век и т. д., потом началась эпоха электричества, а уже сейчас — эра электроники. Самые близкие перспективы для современного общества — полная автоматизация производства, распространение дронов (роботов), покорение космоса и т. д. И всё это будет происходить при непосредственном участии металлов. Но начнем с начала — с людей.

Металлы в людях

Каждый день мы сталкиваемся с металлами. Например, нажимая выключатель в комнате, мы запускаем процесс, когда электроны начинают свой путь по металлическим проводникам к металлическим деталям лампочки. И в комнате появляется свет! Гуляя по улице, мы видим множество металлических конструкций: мосты, рельсы, дома и т. д. Вокруг перемещаются автомобили и велосипеды, которые также состоят во многом из металлов. Металлы везде!

И даже в нас самих? Да, находясь в свободном состоянии, металлы могут включаться в состав солей, которые, в свою очередь, входят в состав человеческих клеток. Например, ионы калия регулируют белковый и углеводный обмен, а также необходимы для всех мышц, особенно сердечной! Соли магния оказывают антисептическое и сосудорасширяющее действие, соли кальция нужны для нормального роста скелета, а натрий помогает сохранять кислотный баланс в организме.

Таким образом, можно понять, что возможности металлов практически безграничны. Поговорим о конкретных представителях этих веществ и их значении для людей.

Золото

Золото — драгоценный металл, красивый и дорогой. Золото легко обрабатывается, не поддается коррозии. Конечно, в первую очередь это металл, важный для ювелирной индустрии. Но не только. К примеру, эксперты подсчитали, что в одном iPhone содержится 30 мг золота, которое используется при изготовлении плат.

Всё добытое золото сегодня находится в различных государственных и международных финансовых организациях, ювелирных изделиях, продукции электронной промышленности и стоматологии, а также в инвестиционных накоплениях (как известно, золото можно покупать и хранить в слитках).

Если золото смешать с другими металлами, оно не потеряет своих свойств и не впустит их в свою структуру, поэтому золото используют чистым. При этом золото легко выделить из любого вещества, так как оно не переходит из одного состояния в другое. Даже находясь в составе воздуха, золото останется золотом.

Говорят, что золото обладает магической силой и дает ее человеку. При этом поклоняться золоту нельзя, иначе у человека может начаться депрессия и даже болезнь, но если человек не одержим этим металлом, то оно помогает духовному росту. Так гласят легенды.

Серебро

Серебро также является редким металлом, но оно не вызывает в людях помешательства и в целом воспринимается более спокойно и в истории, и в наши дни.

Ценность серебра заключается в том, что оно может очищать — воду, воздух. Так, например, часто используются ионизаторы воздуха с серебряными частичками.

В то же время серебро быстро окисляется, когда взаимодействует с кислородом. Поэтому украшения из него делают реже, чем из золота, и они дешевле. Зато оно активно участвует в создании зеркал, елочных игрушек и т. д.

Говорят, что серебро обладает лечебными свойствами как раз в силу своей способности очищать. Народная медицина гласит: если настоять воду в течение суток на серебре и пить ее, можно очистить организм от шлаков.

Железо

С железом всё понятно: в быту и в жизни без него никуда, нужно железо и организму. При недостатке железа в организме возникает железодефицитная анемия. Препараты с содержанием железа использовали еще в древних Китае, Египте, Греции.

При этом опасен и переизбыток железа. Так, если в питьевой воде повышенное содержание железа, это, напротив, может привести к заболеваниям печени, крови и вызывать аллергические реакции.

Медь

Медь обладает редким свойством, которого нет у других металлов. Она не реагирует на электромагнитные бури, которые вызывают скачки давления. Это свойство легло в основу создания лечебных медных браслетов, которые часто носят люди с гипертонией.

Конечно же, много меди и в различных деталях окружающей нас техники. К примеру, в холодильниках, электродвигателях, газовых плитах содержится примерно по 1 кг меди.

Медь также входит в состав катализаторов окислительных процессов в человеческом организме. Известно более 50 белков и ферментов с содержанием меди. При этом медь и железо в живых организмах тесно связаны. Медь ускоряет окислительные реакции клеток, способствует образованию гемоглобина, накоплению железа впрок.

Чтобы получить достаточное организму количество меди, человеку нужно правильно питаться. К примеру, медь содержится в морепродуктах, в печени палтуса и трески, в гречневой и овсяной каше, в ржаном и пшеничном хлебе и т. д.

Алюминий

Металлы и окружающая среда

Загрязнение металлами особенно возросло с всеобщей индустриализацией и глобализацией.

Из токсинов, попадающих в организм человека, 70% поступает из пищи, 20% — из воздуха, 10% — из воды. Токсины в виде металлов, не нужных организму в своем основном состоянии, как правило, попадают из воздуха в виде мельчайших частичек, образующихся при сгорании угля, нефти, торфа и другого горючего, а также в результате выбросов отдельных производств.

Кроме того, одним из основных источников токсичных загрязнений также является автотранспорт. Автомобили выбрасывают в атмосферу соли свинца, серу, углерод. От отравления свинцом у человека может даже начаться депрессия.

Таким образом, металлы в жизни людей сегодня могут играть различные роли: от важных составляющих конструкций и жизненно необходимой человеку техники до незаметных частиц в рассеянном состоянии, от микроэлементов человеческого организма до токсичных веществ, вызывающих аллергию и болезни. И если в промышленности управление металлами лежит на плечах металлургов, то в природе и живых организмах движение металлов регулируется законами биологии. Возможно, когда речь пойдет об освоении космоса и других планет с другими формами жизни, работа с металлами приобретет какие-то иные, новые образы и смыслы.

Среди самых актуальных категорий в системе ценностей общества лидирующую позицию в настоящее время занимает вопрос сохранения и укрепления здоровья человека. Организм человека – это сложная биохимическая система, которая не может функционировать самостоятельно, без взаимосвязи с окружающей средой. От того, какая будет окружающая среда, что будет из неё попадать в организм с воздухом, водой, пищей, во многом будет зависеть здоровье человека.

Совсем недавно научная мысль была взволнована проблемой нехватки металлов не только в окружающей среде, но и в организме человека, ибо без металлов нет жизни, так как металлы входят в состав главнейших физиологических регуляторов и без них не возможен обмен веществ.

Сегодня человечество, выкачивая металлы из земных недр, всё больше окружая себя механизмами, металлическими изделиями, создавая огромные индустриальные центры, тем самым выдвигает новую, не менее важную проблему. Металлы – уже не недостаток, а явный избыток и к тому же опасный загрязнитель окружающей среды. Многие из них, особенно тяжёлые металлы, способны накапливаться в организме, вызывая различные заболевания.

В связи с этим мы считаем актуальной проблему содержания металлов в организме, поэтому целью нашей работы является изучение двойственной роли металлов.

1. Изучить содержание металлов в организме человека.

2. Раскрыть биологическую роль металлов.

3. Рассмотреть влияние недостатка и избытка металлов на здоровье человека.

4. Перечислить источники поступления металлов в организм человека.

Объект: металлы как химические элементы.

Предмет: биологическая роль металлов.

Вид проекта: информационный.

Методы исследования: анализ, обобщение, систематизация.

Содержание металлов в организме человека

В любом живом организме, в том числе и в организме человека, непрерывно протекает множество химических ре акций. Можно сказать, что каждая живая клетка представляет собой микроскопическую химическую лабораторию.

Совокупность всех химических изменений и всех ви дов превращений веществ и энергии в организме называ ется обменом веществ, или метаболизмом. Обмен веществ обеспечивает развитие, жизнедеятельность и самовоспро изведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий.

В обмене веществ участвуют и неорганические, и орга нические вещества. Химические элементы, которые об разуют эти вещества, называются биогенными элемента ми.

Часто говорят, что в организме человека содержится вся таблица химических элементов Д.И. Менделеева. И это не далеко от истины: в организме человека обнаружено более 80 химических элементов.

Классификация элементов по биологической роли осуществляется следующим образом.

Первая группа - так называемые элементы-органогены (элементы жизни) , которые образуют важ нейшие вещества организма – воду, белки, углеводы, жиры, витамины, гормоны и др. К органогенам относят ся 6 химических элементов: углерод С, кислород О, водо род Н, азот N , фосфор Р, сера S . Их общая массовая доля в организме человека составляет примерно 97,3%.

Все элементы-органогены являются неметаллами.

Вторая группа – элементы, роль и значение которых для жизнедеятельности организма известны (кроме элементов, входящих в первую группу). Эта группа постоянно расширяется по мере развития науки.

Массовая доля (в %)

Масса (в г/70 кг)

Третья группа – элементы, роль которых ещё не ясна, и токсичные элементы ( Cd , Hg , Tl , Pb и другие).

В зависимости от массовой доли в организме все био генные элементы делятся на:

а) макроэлементы (массовая доля в организме больше 10 -2 %, или больше 7 г);

б) микроэлементы (массовая доля в организме меньше 10 -2 %, или меньше 7 г).

Химические элементы концентрируются в организме человека неравномерно. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Это депо (запасники) микроэлементов. Сейчас, анализируя химический состав некоторых частей человеческого организма (крови, желудочного сока, волос и т. д.), учёные делают вывод не только о физиологическом, но и о психическом состоянии организма. Известно, что при стрессе содержание цинка в крови возрастает. Повышение содержания Ni и Mn в крови происходит незадолго до инфаркта.

Методом масс-спектроскопии было определено содержание микроэлементов в волосах. У агрессивных людей (как взрослых, так и подростков) в волосах обнаруживается повышенное содержание Pb , Fe , Cd , Ca , Cu и пониженное Zn , Li , Co .

Химический состав организмов есть отражение химического состава окружающей их естественной среды и количественное содержание тех или иных химических элементов в живом веществе зависит от величины относительных атомных масс, радиусов атомов.

Химическое загрязнение природной среды отрицательно сказывается на жизнедеятельности биологических систем и здоровье человека, поэтому важно знать ряд закономерностей, позволяющих предположить реакцию организмов на изменение качественного состава внешней среды, возможные негативные процессы, влекущие за собой болезни и даже гибель особи. Эти закономерности касаются распространения элементов в природе, концентрации их в живых организмах, доли участия в обмене веществ (метаболизме), проявления токсичности и конкурентных отношений.

С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе, а, следовательно, и в живом организме и уменьшается доля их участия в обмене веществ, но возрастает токсичность элементов (в соединениях, а для некоторых элементов и в виде простых веществ, например для ртути: пары её ядовиты).

Элемент этой же группы – барий даже в небольших количествах опасен для организма. Водорастворимые соли бария – хлорид, нитрат, сульфид - очень ядовиты. При остром отравлении ими поражаются нервная система, сосуды, а при хроническом – костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор, что приводит к нарушению кальциевого обмена и тяжёлому поражению костной ткани, известному под названием уровской болезни (размягчение костей).

Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкуренцию и могут взаимозаменяться в живых организмах, оказывая тем самым влияние на структуру биомолекул, их биохимическую активность, на биохимические процессы.

Примерами конкурентных пар, возникающих при загрязнении природной среды, могут служить: Ca – Ba , Zn – Hg , Fe – Ni ( Co ), S – Se , Ni – Cd , Zn – Cd , Al – Ca , Al – Fe , Mg – Mn , K – Li , K – Tl , Ca – Sr , Ni – Cu .

Таллий – биологический конкурент калия, заменяет его в клеточных мембранах, поражает центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки.

Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме человека на стронций. Ионы стронция настолько близки по характеристикам к ионам кальция, что включаются в обмен веществ вместе с ними, но, обладая большей скоростью обмена и значительно отличаясь по размеру, они постепенно нарушают нормальную кальцификацию скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, в огромных количествах накапливающегося в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.

Такая взаимозаменяемость наблюдается всегда при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании (при загрязнении среды) других. Этот процесс объясняется, прежде всего, аналогичным строением атомов элементов, сходными химическими свойствами и близкими величинами радиусов ионов.

Биологическая роль металлов

Рассмотрим биологическую роль основных металлов жизни.

Биологическая роль натрия

В организме натрий находится в виде ионов и является основным внеклеточным ионом. Натрий поддерживает постоянство осмотического давления крови, необходимое для нормальной жизнедеятельности клеток тканей. Участвует в регулировании водного обмена. Активизирует пищеварительные ферменты, регулирует работу нервной и мышечной тканей.

Биологическая роль калия

В организме человека калий находится в виде ионов, которые являются внутриклеточными ионами – 98% от общего количества калия находится внутри клеток, 2% – во внеклеточной жидкости .

Калий регулирует кислотно-щелочное равновесие крови. Участвует в передаче нервных импульсов. Активизирует работу ряда ферментов. Обладает защитными свойствами против нежелательного действия натрия и нормализует давление крови. Оказывает противосклеротическое действие.

Биологическая роль магния

Участвует в формировании скелета; в работе нервных клеток, усиливает процессы торможения в коре головного мозга; успокаивающе действует на нервную систему. Является катализатором ферментативных процессов. Влияет на обмен углеводов и энергетический обмен. Оказывает антисептическое и сосудорасширяющее действия, понижает артериальное давление и содержание холестерина в крови. Благотворно действует на органы пищеварения: стимулирует выделение желчи; способствует сокращению желчного пузыря; усиливает активность желудка и кишечника; предупреждает рак; восстанавливает седые волосы.

Биологическая роль цинка

Регулирует рост человека, стимулирует деление клеток. Предохраняет печень и желчь от воздействия вредных веществ. Предупреждает диабет (т.к. образует соединения с гормоном инсулином, регулирующим углеводный обмен). Обеспечивает нормальное функционирование органов чувств человека.

Биологическая роль меди

Является составной частью 11 ферментов, необходима для образования гемоглобина, т.к. она активизирует железо, в противном случае оно не может участвовать в образовании гемоглобина. Стимулирует кроветворную функцию костного мозга. Необходима для правильного обмена витаминов групп А, В, С, Е, Р; обладает инсулиноподобным действием и влияет на энергообмен. Необходима для процессов роста и развития, её значительная часть захватывается из материнского организма плодом в период внутриуторобного развития.

Биологическая роль железа

Железосодержащие белки выполняют различные жизненно важные функции: гемоглобин транспортирует кислород от лёгких к тканям всех органов; миоглобин запасает его в мышцах в связанном виде; цитохромы обеспечивают тканевое дыхание. Железо участвует в построении клеточного ядра.

Биологическая роль кальция

Является строительным материалом для образования костей и зубов. Важен для регуляции процессов роста и деятельности клеток всех видов тканей. Влияет на обмен веществ. Необходим для нормальной деятельности мышечной и нервной систем. Обеспечивает нормальную свёртываемость крови. Оказывает протии

вовоспалительное действие. Обеспечивает устойчивость организма к внешним неблагоприятным факторам: резкой смене погоды и инфекциям.

Влияние недостатка и избытка металлов на здоровье человека

Как недостаток, так и избыток металлов в организме отрицательно сказывается на состоянии здоровья человека.

В организме взрослого человека содержится около 100 г натрия. Для восполнения естественной убыли натрия из организма человек ежедневно должен потреблять с пищей 6-8 г NaCl .

Недостаток натрия может наступить при длительной рвоте или поносе, что повлечёт за собой уменьшение объёма крови и низкое артериальное давление. Усвоение натрия снижается при сильном потоотделении (в условиях жаркого климата), а также при больших физических нагрузках.

При из менении содержания ионов натрия в организме происхо дят нарушения функций нервной, сердечнососудистой систем, гладких и скелетных мышц.

Избыток ионов на трия в клетках коры головного мозга вызывает угнетение деятельности ЦНС, т. е. депрессию. Избыток ионов натрия в организме человека чаще всего обусловлен чрезмерным потреблением поваренной соли. Это приводит к нарушению водного обмена, возникают отёки ног и лица, страдает сердце и почки, может развиться гипертония.

При недостатке калия наблюдается мышечная слабость, вялость кишечника, нарушение сердечной деятельности, плохая передача нервных импульсов. Может наступить внезапная смерть при увеличении нагрузок. Снижают усвоение калия мочегонные средства (диуретики).

При избытке калия в организме угнетены основные функции сердца: уменьшение возбудимости сердечной мышцы, урежение ритма сердечных сокращений, ослабление силы сокращений сердца. В больших концентрациях ионы калия вызывают остановку сердца.

От недостатка магния наблюдается ничем необъяснимое чувство внутреннего беспокойства, стресс, нарушение сердечного ритма, мышечное подёргивание, судороги мышц (ночные судороги икроножных мышц), покалывание в кончиках пальцев. Возможны головокружение, шум в голове и ушах, постоянное чувство усталости.

Повышенное содержание ионов магния приводит к нарушению минерального обмена, падению содержания кальция и неорганического фосфора в сыворотке крови и увеличению в ней концентрации ионов магния. С нарушением обмена магния связывают повышенную смертность от сердечно-сосудистых заболеваний и болезней желудочно-кишечного тракта.

Недостаток цинка характеризуется медленным заживлением ран, выпадением волос, ухудшением памяти, снижением внимания, остроты зрения, вкуса, обоняния, бесплодием у мужчин. При дефиците цинка организм легче подвергается таким заболеваниям, как сахарный диабет и язвенная болезнь. Дефицит цинка в последнем периоде беременности матери может способствовать неврологическим аномалиям ребенка.

При тиреотоксикозе увеличивается количество цинка в тканях щитовидной железы. При передозировке цинка наблюдаются приступы слабости, опасность отравления. Цинк – конкурент ряда металлов, например, кальция. В этом случае падает содержание кальция в крови, костях, нарушается усвоение фосфора, в результате развивается остеопороз (ломкость костей). В высоких концентрациях цинк – мутаген и онкоген.

Избыток меди в различных тканях приводит к тяжёлым и часто необратимым заболеваниям. Накопление меди в печени и мозге приводит к болезни Вильсона (гепатоцеребральная дистрофия).

При недостатке железа возникает заболевание железодефицитная анемия, или малокровие. Признаки заболевания: зеленовато-бледный цвет лица, слабость, головокружение, обмороки, плохой аппетит.

Соединения железа ( II ) более токсичны, чем соединения железа ( III ). Вдыхание пыли, содержащей соединения железа, приводит к заболеванию лёгких, сердечно-сосудистой дистонии, к снижению секреции желудка, изменению состава крови, возникновению стоматита, гастрита. Отложение железа в тканях в виде нерастворимого соединения гемосидерина приводит к заболеванию гемосидероз.

Поступление в организм в очень больших дозах сопровождается увеличением содержания кальция в крови, усилением кальцификации и ослаблением регенерации тканей. При этом увеличивается выведение кальция с мочой, что вызывает цистит. Если кальций попадает в организм в виде цементной пыли, то страдают органы дыхания, у детей снижается возбудимость центральной нервной системы и обонятельного анализатора.

Источники поступления металлов в организм человека

Таблица 2 - Источники поступления металлов в организм человека

Название металла

Источники металлов

Поваренная соль, петрушка, перловка, рис, пшено, овсянка, картофель, сельдерей, морковь, свёкла, цикорий, горох, фасоль стручковая, морская капуста, раки, крабы, свинина, говядина, яйцо куриное, молоко коровье, креветки, камбала, говяжий мозг

Чай, соя, какао, отруби пшеничные, бобовые культуры, орехи, сухофрукты, семена, зелень чеснока и черемши, листовые овощи, злаки, грибы, бурый рис, бананы, капуста брюссельская, гранат, ревень, тыквенное и кунжутное масло, морская капуста, манго, виноградный и яблочный сок, цельное молоко, сыр, морская рыба

Пшеничные отруби, тыквенные семечки, кунжутное семя, миндаль, кедровые орехи, арахис, грецкие орехи, шпинат, фасоль, финики сушёные, семена подсолнечника

Говядина, баранина, индейка, свинина, креветки, окунь, килька, минтай, щука, молоко сгущенное, сыр голландский, пармезан, чеддер, творог, яйцо куриное, молоко коровье, козье, горох, крупа овсяная, рис, пшено, соя, фасоль, макароны, мука пшеничная, абрикос, имбирь, банан, базилик, чеснок, петрушка, тыква

Печень, арахис, фундук, креветки, горох, чечевица, фасоль, гречневая крупа, овсяная крупа, рис, пшеничные изделия, грецкие орехи, фисташки, осьминоги

Печень свиная, бобы, грибы, пивные дрожи, какао, тыквенные семечки, говядина, зелень, пшеничные зародыши, чечевица, семена подсолнечника, шпинат, топинамбур, ржаной хлеб, морская рыба, сало

Сметана, сыр, йогурт, консервированный лосось и сардины, фасоль, чечевица, миндаль, сывороточный протеин, шпинат, капуста, петрушка, укроп, ревень, мука, кукурузная мука, амарант, апельсиновый сок, коровье молоко, инжир,

Как недостаток, так и избыток металлов в организме отрицательно сказывается на состоянии здоровья человека.

Проанализировав состав продуктов, выяснили, что металлы содержатся как в растительной, так и в животной пище. Для поддержания здоровья человека, нужно употреблять разнообразную пищу, богатую как макро-, так и микроэлементами.

Список использованных источников

4. Егоров, А.С. Химия внутри нас: Введение в бионеорганическую и биоорганическую химию [Текст] / А.С. Егоров, Н. М. Иванченко, К. П. Шацкая. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. – 192 с.

6. Металлы в природе, их биологическая роль [Электронный ресурс]. – Режим доступа: zodorov . ru › metalli - v … ih - biologicheskaya - role . html (дата обращения: 12.01.2020).

8. Пустовалова, Л. М. Основы биохимии для медицинских колледжей [Текст] / Л. М. Пустовалова. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. – 448 с.

Стальные нервы, железная воля, золотые руки… значения этих выражений могут приобрести совершенно неожиданный смысл. Многие металлы известны всем с детства. Они окружают нас повсюду: на кухне, на работе, в гараже – везде. Но знаете ли вы о том, какую роль они играют в организме человека?

Еще в средние века алхимики уверяли, что характер и поведение человека полностью зависят от содержания металлов в его организме.

Возможно, этот забавный факт так и мог бы остаться исторической байкой, если бы современная наука не утверждала совершенно точно: присутствие в организме человека металлов и других микроэлементов обязательно.

Мы привели список основных металлов, недостаток которых может не только стать причиной изменения самочувствия, но даже развития и прогрессирования болезней.

Большинство из этих элементов попадают к нам исключительно через пищу, поэтому многие симптомы, приведенные ниже, могут стать отличным поводом для того, чтобы пересмотреть свой рацион, добавив в него нужные продукты. Начать разбираться в механизме действия минеральных веществ никогда не поздно, так давайте же начнем это уже сейчас.

Железо

Является надежной опорой для организма, помогая справляться с огромным количеством самых разных недугов. На его дефицит могут указать следующие симптомы:

Утомляемость;
Головные боли;
Боли в области сердца;
Дискомфорт и прочие расстройства системы ЖКТ.

Кобальт

Многие препараты, содержащие кобальт успешно применяются во многих направлениях медицины:

При борьбе со злокачественной анемией;
Способствуют успешному усвоению железа;
Стимулируют иммунологическую активность;
Предупреждают дегенеративные изменения нервной системы.

В организме человека высокая концентрация кобальта присутствует в почках, печени и поджелудочной железе, а нарушение его баланса в организме зачастую связано с гастритом, хроническими заболеваниями органов пищеварения, а также при язвенной болезни двенадцатиперстной кишки. Помочь восполнить дефицит кобальта могут: пшеница, гречка, а также какао-бобы, кукуруза и чай.

Калий

Является одним из ключевых элементов во внутриклеточном обмене;
Регулирует водно-солевой обмен, кислотно-щелочное состояние организма;
Его влияние распространяется на деятельность мышц сердца, стабилизируя кровяное давление.

Кальций

О его важности для организма не слышал разве что ленивый – с самого детства мы все слышали о том, какую колоссальную роль играет кальций для организма:

Он участвует в формировании костей и зубов – и распространяется этот эффект на любой возраст;
Оказывает значительное влияние на процессы сократимости мышц;
Повышает защитные силы организма;
Снижает опасность появления аллергии.

Его надежным источником организм по-прежнему может считать молочные продукты, кунжут, миндаль, петрушку.

Магний

Наличие этого элемента в организме способствует весьма широкому спектру полезных эффектов:

Снижение холестерина в крови;
Понижение возбудимости нервной системы;
Предупреждение образования камней в почках;
Нормализация деятельности мышц.

При этом его недостаток чреват самыми различными изменениями в самочувствии: начиная от потери равновесия, подергивания век и мышечных спазмов, и заканчивая быстрой утомляемостью, бессонницей. Ко всему прочему, это может привести к беспокойствам психоневротического характера: апатии, плаксивости с приступами тоски. Однако и такой элемент можно добавить в свой рацион с такими продуктами как: какао, лесные орехи, крупы, горох и фасоль.

Цинк

Это еще один помощник в процессе костеобразования;
Ускоряет заживление ран, регенерируя кожный покров.
Его недостаток приводит к отрицательным последствиям в работе половых органов, а у мужчин может даже стать причиной бесплодия.

Цинк содержится во всех органах, однако наибольшие его концентрации располагаются в мышцах, печени, почках и предстательной железе. Наиболее богатыми источниками цинка являются устрицы, омары, мясо (особенно говядина), баранина, печень. Не менее важны для рациона бобы, орехи, кукуруза, фрукты, ягоды и овощи. Код 111 – Определение цинка в сыворотке крови

Не менее важными элементами в организме являются те, что активно взаимодействуют с металлами, а результатом такого взаимодействия могут стать весьма бурные реакции с самыми разными эффектами.

Немалую роль для здоровой жизнедеятельности организма играет и йод, активно участвующий в функционировании щитовидной железы. Спектр его полезных свойств затрагивает практически любую систему в организме:

Регуляция обмена веществ;
Развитие центральной нервной системы;
Общий рост организма и его устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды.

Первыми признаками недостатка йода могут послужить такие симптомы как слабость, повышенная утомляемость, ослабление памяти, сонливость и головные боли. Именно поэтому правильно подобранный рацион призван защитить от такого дефицита. В первую очередь, это морепродукты (рыбий жир, рыба, креветки, мидии, кальмары, морская капуста), молочные продукты, крупы, картофель, овощи и фрукты.

Селен

Он относится к жизненно необходимым микроэлементам, хотя долгие годы его считали сугубо токсичным элементом, и только во второй половине двадцатого века была выяснена его биологическая роль:

Для здорового функционирования организма нам необходимо ежедневно получать 0,01 мг селена. Хоть это и немного, но и в продуктах он содержится в весьма ограниченных количествах. Наибольшие концентрации селена можно найти в дарах моря, в особенности сельди, крабах, креветках и кальмарах. Немало селена содержится в морской и каменной соли, муке грубого помола, яичном желтке и пивных дрожжах.

Фосфор

Обмен фосфора очень тесно связан с кальциевым обменом в организме:

Фосфаты обеспечивают множество обменных процессов;
Участвуют в синтезе белка;
Являются незаменимым элементом костной ткани.

Это один из немногих элементов, отсутствие которого в потребляемой пище никак не отражается на работе организма. Это происходит из-за того, что в случае его дефицита, он поступает в кровь из костей и тканей. Однако именно это свойство и таит в себе опасность: при длительном фосфорном голодании истощение этих запасов приводит к потере аппетита, болям в костях, нарушению чувствительности конечностей. Поэтому не стоит забывать о поставщиках фосфора: сыре, яйцах, икре, шпротах, горохе и фасоли.

Биологическая роль металлов и их комплексов в организме человека. Описание свойств их комплексных соединений с порфиринами и порфириноподобными веществами. Функционирование железопорфиринов в ферментных системах цитохромов. Гемоглобин и его производные.

Рубрика	Биология и естествознание
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	04.12.2014
Размер файла	12,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Металлы в живых организмах

Основная масса биологически активных металлов расположена в средней части первого большого периода таблицы Менделеева и относится к так называемым переходным элементам. Исключение составляют четыре металла (натрий, калий, магний, кальций), которые содержатся в организмах в довольно больших количествах. Обычно к переходным относят те элементы, у которых в нейтральных свободных атомах d- и f-атомные орбитали заполнены электронами. Переходные металлы содержатся в организмах в очень малых количествах, и уже из этого можно сделать осторожный вывод, что их значение (доказанное прямым опытом) должно быть связано с катализом. Ведь именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества, действуя в малых концентрациях.

Переходные металлы могут еще выполнять (вместе с органическими соединениями) и другую функцию - переносить с места на место группу атомов или целые молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать их и т.п.

Комплексы металлов с порфиринами и порфириноподобными веществами.

Для живых организмов очень важны комплексные соединения металлов, в которых четыре координационных места занимает одна частица, называемая порфином, содержащим четыре пирролоподобных цикла, соединенных =CH-группами.

Производными порфина являются порфирины. К ним в настоящее время относятся представители многочисленного класса циклических ароматических соединений, содержащих многоконтурную сопряженную систему, в основе которой лежит шестнадцатичленный макроцикл, включающий от 4 до 8 атомов азота. В организмах встречаются комплексы, в которых некоторые атомы водорода в порфине замещены на метильные и винильные остатки пропионовой кислоты (протопорфины). Известны 15 возможных изомерных структур. Однако основной каркас этой сложной молекулы сохраняется во многих важнейших веществах: гемоглобине, цитохромах, витамине В₁₂. Ион металла замещает атомы водорода двух пиррольных колец и одновременно связывается координационными связями с третичными атомами азота двух других пиррольных колец. Благодаря эффекту резонанса связи металла с четырьмя атомами азота пиррольных колец, которые лежат в одной плоскости, рассматриваются как одинаковые.

Важнейшим свойством порфиринов является наличие в молекуле координационной полости, ограниченной атомами азота, N₄ , имеющей радиус около 2 Б и способной координировать ионы металлов М 2+ , М 3+ , М 4+ и даже с большей степенью окисления. В результате комплексообразования образуются комплексные соединения порфиринов, так называемые металлопорфирины, обладающие многообразными структурными и химическими особенностями, высокой биологической и каталитической активностью. При этом металл либо занимает центр полости N₄ и оказывается в экваториальной плоскости xy, образуя плоский координационный узел из атомов MN₄ , либо оказывается приподнятым над плоскостью, в которой лежат атомы N₄ , и образует координационные узлы различной геометрической структуры - от тетрагональной пирамиды (L)MN₄ и октаэдра (L1)(L2)MN₄ до более сложных геометрических фигур.

Выход центрального атома из плоскости происходит, как правило, при донорно-акцепторном взаимодействии с молекулой L. Если металл M способен присоединить вторую молекулу L той же природы с противоположной стороны плоскости xy, то он возвращается в центр полости N₄ . Лиганды (L), способные вступать в координационную сферу металла, уже занятую четырьмя атомами азота порфирина, называются аксиальными.

Возможности молекул металлопорфиринов выступать в биологических процессах в качестве биокатализаторов (ферментов) значительно расширяются в связи с необычайным строением порфиринов и их комплексов, своеобразием их свойств и чрезвычайно большим структурным многообразием. Структурное многообразие связано с многочисленными путями химической модификации молекул порфина за счет замещения атомов водорода.

Известно большое число биологических систем, в структуре которых металлопорфирины выполняют функции инициатора того или иного биологического процесса. Наибольшее число исследований посвящено гемоглобину, гему крови, и процессам обратимой фиксации атмосферного кислорода на биологических и модельных системах. Большой практический интерес представляет функционирование металлопорфиринов (железопорфиринов) в ферментных системах цитохромов. Кратко рассмотрим эти явления.

Потребление атмосферного кислорода живыми организмами -- важнейший биохимический процесс. Кислород транспортируется гемоглобином эритроцитов от легких к мышцам и удерживается в мышцах миоглобином. Как гемоглобин, так и миоглобин представляют собой комплексы железа, в которых группа ферропротопорфирина (гема) содержит Fe(II).

При отсутствии кислорода атом Fe(II) в гемоглобине имеет координационное число 5, связан донорно-акцепторной связью с четырьмя координирующими атомами азота протопорфирина и одной менее прочной связью с третичным атомом азота проксимального имидазольного фрагмента гистидина. Координационный узел Fe(N)₄NIm представляет собой квадратную пирамиду с атомом железа, удаленным от основания пирамиды на 0,8 Б. Шестое координационное место не в состоянии занять ни один имеющийся поблизости лиганд (в том числе и Н2О), кроме молекулярного кислорода. Молекула О₂ вызывает оксигенирование гемоглобина, а точнее, иона Fe(II). При этом комплекс Fe(N)₄NIm из высокоспинового пирамидального состояния переходит в низкоспиновое октаэдрическое искаженное состояние с координационным узлом Fe(N)₄NIm(O₂).

Под влиянием кристаллического поля N-донорных атомов порфирина, а также аксиальных лигандов (Im и O₂) -конфигурация Fe(II) превращается в [4]. На вакантные еg-орбитали переходят сигма-электронные пары имидазола и кислорода. Считают, что молекула О2 связывается в шестом координационном месте с Fe(II) также за счет дативной p-связи. Координированный ион железа поставляет пару электронов, находящуюся на его dyz (или dzx-)-орбитали, на вакантную (разрыхляющую) pz-орбиталь молекулы О2 . Образованию p-связи Fe(II) O₂ благоприятствует высокая электронодонорная способность порфириновой p-системы и проксимального имидазола. Атом железа после оксигенации входит в координационную полость порфирина N₄ и располагается центросимметрично. Структура белка в гемоглобине такова, что она экранирует подход к атому Fe(II) всех других молекул, имеющихся в крови, и своевременно регулирует его донорно-акцепторные свойства. Исключение составляют токсиканты -- яды крови, к которым относятся монооксид углерода, оксиды азота, метиленовый синий. Проникая с атмосферным воздухом в легкие, монооксид углерода быстро преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окси-, так и с дезоксигемоглобином:

где Hb -- гемоглобин.

Образующийся комплекс карбоксигемоглобин (HbCO) не способен присоединять к себе кислород. В молекуле гемоглобина CO координируется атомом Fe(II), вытесняя O₂ . Одна молекула гемоглобина (точнее, четыре ее гема) может присоединить до четырех молекул CO.

Важным производным гемоглобина является метгемоглобин, в молекуле которого атом железа находится в степени окисления 3+. Метгемоглобин не связывает молекулярный кислород. Он образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, метиленового синего, хлоратов). Образование метгемоглобина в крови уменьшает в ней количество функционально важного оксигемоглобина и нарушает доставку кислорода к тканям. Комплексы железа с порфиринами участвуют не только в транспорте кислорода, но и выполняют множество других функций. Среди них процесс переноса электронов.

Fe3 + + e = Fe2 +, Fe2 + -- e = = Fe3 +

создают возможность перебрасывать электроны от одного цитохрома к другому.

Цитохромы обычно делят на три класса: a, b и c. Лучше других изучен цитохром c, так как только его можно легко выделить из клеток водными солевыми растворами. В этом соединении порфириновое кольцо, содержащее железо (II) в центре, связано с белком за счет ковалентных связей атомов кольца с остатком цистеина в молекуле белка. С кислородом цитохром c не реагирует, так как у него шестое координационное место занято аминокислотным остатком метионина. В цепи переноса электронов цитохром c передает электроны цитохромам a и a3 . Из всех цитохромов только они окисляются молекулярным кислородом. Эта система завершает цепь цитохромов и носит название цитохромоксидазы, которая представляет собой сложный белковый комплекс, содержащий два атома меди и две молекулы уникального гема А.

Молекула цитохромоксидазы должна обладать внутренней симметрией, имея реакционный центр, к которому ферроцитохром может доставлять электроны и к которому может присоединяться O2 [5]. Этот центр включает как гемы, так и атомы меди. Итак, перенос электронов осуществляется при помощи ряда соединений (цитохромов), в которых железо связано в комплекс с порфириновым циклом.

Центральной структурой является порфириноподобная корриновая кольцевая система, в которой пара пиррольных колец связана между собой непосредственно, а не через группу =CH-, как остальные пары колец и вообще пиррольные кольца в порфиринах. Кобальт (II) находится в положении, которое в геме занимает железо (II). Считают, что характерное для различных кобаламинов строение обусловливает и их своеобразные каталитические свойства. Выявлено большое число производных витамина В12, у которых CN-группа замещена другим фрагментом. Среди аналогов В12 наибольший интерес представляет метилкобаламин -- метаболически активное соединение. У большинства организмов витамин В12 (до 90% общего содержания) находится в виде кофермента, то есть участвует в ферментативных реакциях. В природном коферменте вместо CN-группы содержится остаток дезоксиаденозина.

Витамин В12 необходим для образования эритроцитов. Кроме того, он осуществляет перенос метильных групп на важных стадиях обмена веществ. Процессы трансметилирования интересны тем, что в одном из образующихся промежуточных продуктов имеется связь между кобальтом и атомом углерода переносимой группы, например -CH₃. Подобные соединения синтезированы и хорошо известны, но в природе, как правило, не встречаются. Кобаламиновые комплексы представляют практически единственный пример такого рода.

Металлопорфирины являются макроциклическими комплексами, и это накладывает отпечаток на их строение и свойства. Однако они отличаются от бесчисленного множества других групп макроциклических комплексов тем, что являются ароматическими макроциклами с уникальной сопряженной p-системой. Ароматичность порфиринов определяет их электронодонорные свойства, то есть способность к снижению локальных положительных и отрицательных зарядов путем их распределения по ароматическим орбиталям. Вследствие этого стабилизируются катион- и анионрадикальные формы, а также различные степени окисления металлов, возникающие в процессе функционирования биологически активных соединений на основе металлопорфиринов.

порфирин цитохром гемоглобин

Список используемой литературы

1. Уильямс Д. Металлы жизни. М.: Мир, 1975. 237 с.

2. Березин Б.Д., Ениколопян Н.С. Металлопорфирины. М.: Наука, 1988. 160 с.

3. Василенко Ю.К. Биологическая химия. М.: Высш. шк., 1978. 381 с.

4. Хартли Ф., Бергес К., Олкок Р. Равновесия в растворах. М.: Мир, 1983. 360с.

5. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. М.: Мир, 1981. Т. 1. 534 с.

Читайте также: