Funktionen chemischer Elemente im menschlichen Körper. Die Rolle verschiedener Elemente, aus denen die Zelle besteht
Mehr, andere – weniger.
Auf atomarer Ebene gibt es keine Unterschiede zwischen der organischen und der anorganischen Welt der belebten Natur: Lebende Organismen bestehen aus denselben Atomen wie Körper der unbelebten Natur. Allerdings variiert das Verhältnis verschiedener chemischer Elemente in lebenden Organismen und in der Erdkruste stark. Darüber hinaus können sich lebende Organismen in der Isotopenzusammensetzung chemischer Elemente von ihrer Umgebung unterscheiden.
Herkömmlicherweise können alle Elemente der Zelle in drei Gruppen eingeteilt werden.
Makronährstoffe
Zink- ist Teil der Enzyme, die an der alkoholischen Gärung und an Insulin beteiligt sind
Kupfer- ist Teil der oxidativen Enzyme, die an der Synthese von Cytochromen beteiligt sind.
Selen- beteiligt sich an den Regulierungsprozessen des Körpers.
Ultramikroelemente
Ultramikroelemente machen im Organismus von Lebewesen weniger als 0,0000001 % aus, dazu gehören Gold, Silber wirken bakterizid, unterdrücken die Rückresorption von Wasser in den Nierentubuli und beeinflussen Enzyme. Zu den Ultramikroelementen zählen auch Platin und Cäsium. Manche Menschen zählen auch Selen zu dieser Gruppe; bei dessen Mangel entsteht Krebs. Die Funktionen von Ultramikroelementen sind noch wenig verstanden.
Molekulare Zusammensetzung der Zelle
siehe auch
- Vergleich der Zellstruktur von Bakterien, Pflanzen und Tieren
Wikimedia-Stiftung. 2010.
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- (Argentum, argent, Silber), chemisch. Ag-Zeichen. S. ist eines der Metalle, die der Mensch seit der Antike kennt. In der Natur kommt es sowohl im nativen Zustand als auch in Form von Verbindungen mit anderen Körpern (mit Schwefel, zum Beispiel Ag2S Silber ...) vor. Enzyklopädisches Wörterbuch F.A. Brockhaus und I.A. Efron
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Der Begriff Biologie wurde 1802 vom herausragenden französischen Naturforscher und Evolutionisten Jean Baptiste Lamarck vorgeschlagen, um die Wissenschaft vom Leben als besonderes Phänomen der Natur zu bezeichnen. Heute ist die Biologie ein Komplex von Wissenschaften, die... ... Wikipedia studieren
Biologische Rolle chemischer Elemente in lebenden Organismen
1. Makro- und Mikroelemente in der Umwelt und im menschlichen Körper
Die biologische Rolle chemischer Elemente im menschlichen Körper ist äußerst vielfältig.
Die Hauptfunktion von Makroelementen besteht darin, Gewebe aufzubauen, den osmotischen Druck sowie die Ionen- und Säure-Basen-Zusammensetzung konstant zu halten.
Mikroelemente sind als Bestandteil von Enzymen, Hormonen, Vitaminen und biologisch aktiven Substanzen als Komplexbildner oder Aktivatoren am Stoffwechsel, an Fortpflanzungsprozessen, an der Gewebeatmung und an der Neutralisierung toxischer Substanzen beteiligt. Mikroelemente beeinflussen aktiv die Prozesse der Hämatopoese, der Oxidation - Reduktion und der Durchlässigkeit von Blutgefäßen und Geweben. Makro- und Mikroelemente – Kalzium, Phosphor, Fluor, Jod, Aluminium, Silizium – bestimmen die Bildung von Knochen- und Zahngewebe.
Es gibt Hinweise darauf, dass sich der Inhalt einiger Elemente im menschlichen Körper mit dem Alter ändert. So steigt mit zunehmendem Alter der Gehalt an Cadmium in den Nieren und Molybdän in der Leber. Der maximale Zinkgehalt wird während der Pubertät beobachtet, dann nimmt er ab und erreicht im Alter ein Minimum. Auch der Gehalt an anderen Spurenelementen wie Vanadium und Chrom nimmt mit zunehmendem Alter ab.
Es wurden viele Krankheiten identifiziert, die mit einem Mangel oder einer übermäßigen Anreicherung verschiedener Mikroelemente einhergehen. Fluoridmangel verursacht Zahnkaries, Jodmangel verursacht endemische Struma und überschüssiges Molybdän verursacht endemische Gicht. Diese Art von Mustern hängt mit der Tatsache zusammen, dass der menschliche Körper ein Gleichgewicht optimaler Konzentrationen biogener Elemente aufrechterhält – die chemische Homöostase. Eine Störung dieses Gleichgewichts aufgrund eines Mangels oder Überschusses des Elements kann zu verschiedenen Krankheiten führen.
Zusätzlich zu den sechs Hauptmakroelementen – Organogenen – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor, aus denen Kohlenhydrate, Fette, Proteine und Nukleinsäuren bestehen, „anorganische“ Makroelemente – Kalzium, Chlor, Magnesium, Kalium, Natrium – und Spurenelemente - Kupfer, Fluor, Jod, Eisen, Molybdän, Zink und möglicherweise auch (bei Tieren nachgewiesen) Selen, Arsen, Chrom, Nickel, Silizium, Zinn, Vanadium.
Ein Mangel an Elementen wie Eisen, Kupfer, Fluor, Zink, Jod, Kalzium, Phosphor, Magnesium und einigen anderen in der Ernährung führt zu schwerwiegenden Folgen für die menschliche Gesundheit.
Es muss jedoch beachtet werden, dass nicht nur ein Mangel, sondern auch ein Überschuss an Nährstoffen schädlich für den Körper ist, da die chemische Homöostase gestört ist. Wenn beispielsweise überschüssiges Mangan mit der Nahrung aufgenommen wird, steigt der Kupferspiegel im Plasma (Synergismus von Mn und Cu) und in den Nieren sinkt er (Antagonismus). Ein erhöhter Molybdängehalt in Lebensmitteln führt zu einem Anstieg der Kupfermenge in der Leber. Überschüssiges Zink in der Nahrung führt zu einer Hemmung der Aktivität eisenhaltiger Enzyme (Antagonismus von Zn und Fe).
Mineralische Bestandteile, die in vernachlässigbaren Mengen lebenswichtig sind, werden in höheren Konzentrationen giftig.
Eine Reihe von Elementen (Silber, Quecksilber, Blei, Cadmium usw.) gelten als giftig, da ihr Eintritt in den Körper bereits in Mikromengen zu schwerwiegenden pathologischen Erscheinungen führt. Der chemische Mechanismus der toxischen Wirkung einiger Spurenelemente wird im Folgenden diskutiert.
Biogene Elemente werden in der Landwirtschaft häufig eingesetzt. Die Zugabe kleiner Mengen von Mikroelementen zum Boden – Bor, Kupfer, Mangan, Zink, Kobalt, Molybdän – steigert den Ertrag vieler Nutzpflanzen dramatisch. Es stellt sich heraus, dass Mikroelemente durch die Erhöhung der Aktivität von Enzymen in Pflanzen die Synthese von Proteinen, Vitaminen, Nukleinsäuren, Zucker und Stärke fördern. Einige der chemischen Elemente wirken sich positiv auf die Photosynthese aus, beschleunigen das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen sowie die Samenreifung. Zur Steigerung der Produktivität werden Tierfutter Mikroelemente zugesetzt.
Verschiedene Elemente und ihre Verbindungen werden häufig als Arzneimittel verwendet.
So trägt die Untersuchung der biologischen Rolle chemischer Elemente und die Aufklärung der Beziehung zwischen dem Austausch dieser Elemente und anderen biologisch aktiven Substanzen – Enzymen, Hormonen, Vitaminen – zur Entwicklung neuer Arzneimittel und zur Entwicklung optimaler Dosierungsschemata sowohl für therapeutische als auch prophylaktische Zwecke bei .
Grundlage für die Untersuchung der Eigenschaften von Elementen und insbesondere ihrer biologischen Rolle ist das periodische Gesetz von D.I. Mendelejew. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften und folglich ihre physiologische und pathologische Rolle werden durch die Position dieser Elemente im Periodensystem von D.I. bestimmt. Mendelejew.
Mit zunehmender Kernladung von Atomen nimmt in der Regel die Toxizität von Elementen einer bestimmten Gruppe zu und ihr Gehalt im Körper ab. Der Rückgang des Gehalts ist offensichtlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass viele Elemente mit langen Perioden aufgrund großer Atom- und Ionenradien, hoher Kernladung, Komplexität elektronischer Konfigurationen und geringer Löslichkeit von Verbindungen von lebenden Organismen schlecht absorbiert werden. Der Körper enthält leichte Elemente in erheblichen Mengen.
Zu den Makroelementen gehören S-Elemente der ersten (Wasserstoff), dritten (Natrium, Magnesium) und vierten (Kalium, Kalzium) Periode sowie p-Elemente der zweiten (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) und dritten (Phosphor, Schwefel, Chlor) Perioden. Sie alle sind lebenswichtig. Die meisten der verbleibenden s- und p-Elemente der ersten drei Perioden (Li, B, Al, F) sind physiologisch aktiv; s- und p-Elemente längerer Perioden (n>4) wirken selten so essentiell. Die Ausnahme bilden die S-Elemente – Kalium, Kalzium, Jod. Einige s- und p-Elemente der vierten und fünften Periode – Strontium, Arsen, Selen, Brom – werden als physiologisch aktiv eingestuft.
Unter den D-Elementen sind vor allem Elemente der vierten Periode lebenswichtig: Mangan, Eisen, Zink, Kupfer, Kobalt. Kürzlich wurde festgestellt, dass die physiologische Rolle einiger anderer D-Elemente dieser Zeit unbestreitbar ist: Titan, Chrom, Vanadium.
d-Elemente der fünften und sechsten Periode zeigen mit Ausnahme von Molybdän keine ausgeprägte positive physiologische Aktivität. Molybdän ist Bestandteil einer Reihe von Redoxenzymen (z. B. Xanthinoxid, Aldehydoxidase) und spielt eine wichtige Rolle im Ablauf biochemischer Prozesse.
2. Allgemeine Aspekte der Toxizität von Schwermetallen für lebende Organismen
Eine umfassende Untersuchung der Probleme bei der Beurteilung des Zustands der natürlichen Umwelt zeigt, dass es sehr schwierig ist, eine klare Grenze zwischen natürlichen und anthropogenen Veränderungsfaktoren in Ökosystemen zu ziehen. Die letzten Jahrzehnte haben uns davon überzeugt. dass der menschliche Einfluss auf die Natur nicht nur direkte, leicht erkennbare Schäden verursacht, sondern auch eine Reihe neuer, oft verborgener Prozesse verursacht, die die Umwelt verändern oder zerstören. Natürliche und anthropogene Prozesse in der Biosphäre stehen in einem komplexen Zusammenhang und sind voneinander abhängig. So wird der Verlauf chemischer Umwandlungen, die zur Bildung toxischer Stoffe führen, vom Klima, der Bodenbeschaffenheit, dem Wasser, der Luft, dem Grad der Radioaktivität usw. beeinflusst. Unter den gegenwärtigen Bedingungen stellt sich bei der Untersuchung der Prozesse der chemischen Verschmutzung von Ökosystemen das Problem, natürliche, hauptsächlich auf natürliche Faktoren zurückzuführende Gehalte bestimmter chemischer Elemente oder Verbindungen zu finden. Die Lösung dieses Problems ist nur auf der Grundlage langfristiger systematischer Beobachtungen des Zustands der Bestandteile der Biosphäre, des Gehalts verschiedener Stoffe in ihnen, also auf der Grundlage der Umweltüberwachung, möglich.
Umweltbelastungen mit Schwermetallen stehen in direktem Zusammenhang mit der umweltanalytischen Überwachung von Supergiftstoffen, da viele von ihnen bereits in Spuren eine hohe Toxizität aufweisen und sich in lebenden Organismen anreichern können.
Die Hauptquellen der Verschmutzung der natürlichen Umwelt mit Schwermetallen lassen sich in natürliche (natürliche) und künstliche (anthropogene) einteilen. Zu den natürlichen Quellen zählen Vulkanausbrüche, Staubstürme, Wald- und Steppenbrände, vom Wind aufgewirbelte Meersalze, Vegetation usw. Natürliche Verschmutzungsquellen sind entweder systematischer, gleichmäßiger oder kurzfristiger spontaner Natur und haben in der Regel wenig Auswirkungen auf das Gesamtniveau der Verschmutzung haben. Die wichtigsten und gefährlichsten Quellen der Naturverschmutzung durch Schwermetalle sind anthropogener Natur.
Bei der Untersuchung der Chemie von Metallen und ihrer biochemischen Kreisläufe in der Biosphäre zeigt sich die doppelte Rolle, die sie in der Physiologie spielen: Einerseits sind die meisten Metalle für den normalen Lebensverlauf notwendig; Andererseits weisen sie in erhöhten Konzentrationen eine hohe Toxizität auf, das heißt, sie wirken sich schädlich auf den Zustand und die Aktivität lebender Organismen aus. Die Grenze zwischen notwendigen und toxischen Konzentrationen von Elementen ist sehr vage, was es schwierig macht, ihre Auswirkungen auf die Umwelt zuverlässig abzuschätzen. Ab welcher Menge manche Metalle wirklich gefährlich werden, hängt nicht nur davon ab, wie stark sie Ökosysteme verschmutzen, sondern auch von den chemischen Eigenschaften ihres biochemischen Kreislaufs. In der Tabelle Tabelle 1 zeigt die Reihe der molaren Toxizität von Metallen für verschiedene Arten lebender Organismen.
Tabelle 1. Repräsentative Reihenfolge der molaren Toxizität von Metallen
Organismen Toxizitätsreihe AlgenНg>Сu>Сd>Fe>Сr>Zn>Со>Мn PilzeАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FeBlütenpflanzenHg>Рb>Сu>Сd>Сr>Ni>ZnRingelblumenHg >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
Für jede Art von Organismus spiegelt die Reihenfolge der Metalle in den Zeilen der Tabelle von links nach rechts die Zunahme der molaren Metallmenge wider, die zur Erzeugung der toxischen Wirkung erforderlich ist. Der minimale Molwert bezieht sich auf das Metall mit der größten Toxizität.
V.V. Kowalski teilte chemische Elemente aufgrund ihrer Bedeutung für das Leben in drei Gruppen ein:
Lebenswichtige (unersetzliche) Elemente, die ständig im Körper enthalten sind (Bestandteil von Enzymen, Hormonen und Vitaminen): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Mo, V. Ihr Mangel führt zu einer Störung der normalen Funktion von Mensch und Tier.
Tabelle 2. Eigenschaften einiger Metalloenzyme – bioanorganische Komplexe
Metallenzym Zentralatom Ligandenumgebung Objekt der Konzentration Enzymwirkung Carboanhydrase Zn (II) Aminosäurereste Rote Blutkörperchen Katalysiert die reversible Hydratation von Kohlendioxid: CO 2+H 2O↔H 2CO 3↔H ++MwSt 3Carbosky-Peptidase Zn (II) Aminosäurereste Bauchspeicheldrüse, Leber, Darm katalysiert die Verdauung von Proteinen, beteiligt sich an der Hydrolyse der Peptidbindung: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2N.H. 2KatalaseFe (III)Aminosäurereste, Histidin, TyrosinBlutKatalysiert die Zersetzungsreaktion von Wasserstoffperoxid: 2H 2UM 2= 2H 2O + O 2PeroxidaseFe(III)ProteineGewebe, BlutOxidation von Substraten (RH 2) Wasserstoffperoxid: RH 2+H 2Ö 2= R + 2H 2OxyreduktaseCu(II)AminosäureresteHerz, Leber, NierenKatalysiert Oxidation mit molekularem Sauerstoff: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Pyruvatcarboxylase Mn (II) Gewebeproteine Leber, Schilddrüse Verstärkt die Wirkung von Hormonen. Katalysiert den Carboxylierungsprozess mit Brenztraubensäure. Aldehydoxidase Mo (VI). Gewebeproteine. Leber. Beteiligt sich an der Oxidation von Aldehyden. Ribonukleotidreduktase Co (II). Gewebeproteine. Leber. Beteiligt sich an der Biosynthese von Ribonukleinsäuren Als Reaktion auf die Wirkung toxischer Ionen von Blei, Quecksilber, Cadmium usw. erhöhen die menschliche Leber und die Nieren die Synthese von Metallothioneinen – Proteinen mit niedrigem Molekulargewicht, bei denen etwa 1/3 der Aminosäurereste Cystein sind . Der hohe Gehalt und die spezifische Anordnung der Sulfhydryl-SH-Gruppen ermöglichen eine starke Bindung von Metallionen. Die Mechanismen der Toxizität von Metallen sind im Allgemeinen gut bekannt, es ist jedoch sehr schwierig, sie für ein bestimmtes Metall zu ermitteln. Einer dieser Mechanismen ist die Konzentration zwischen essentiellen und toxischen Metallen aufgrund des Vorhandenseins von Bindungsstellen in Proteinen, da Metallionen viele Proteine stabilisieren und aktivieren und Teil vieler Enzymsysteme sind. Darüber hinaus verfügen viele Proteinmakromoleküle über freie Sulfhydrylgruppen, die mit toxischen Metallionen wie Cadmium, Blei und Quecksilber interagieren können, was zu toxischen Wirkungen führt. Es ist jedoch nicht genau geklärt, welche Makromoleküle einem lebenden Organismus Schaden zufügen. Die Manifestation der Toxizität von Metallionen in verschiedenen Organen und Geweben hängt nicht immer mit dem Grad ihrer Anreicherung zusammen – es gibt keine Garantie dafür, dass der größte Schaden in dem Körperteil auftritt, in dem die Konzentration eines bestimmten Metalls höher ist. Somit sind Blei(II)-Ionen, die mehr als 90 % der Gesamtmenge im Körper ausmachen und in den Knochen immobilisiert sind, aufgrund der Verteilung von 10 % in anderen Geweben des Körpers toxisch. Die Immobilisierung von Bleiionen in Knochen kann als Entgiftungsprozess angesehen werden. Die Toxizität eines Metallions hängt normalerweise nicht von seinem Bedarf für den Körper ab. Toxizität und Notwendigkeit haben jedoch eines gemeinsam: In der Regel besteht ein Zusammenhang zwischen Metallionen untereinander sowie zwischen Metall- und Nichtmetallionen in ihrem Gesamtbeitrag zur Wirksamkeit ihrer Wirkung. Beispielsweise ist die Toxizität von Cadmium in einem System mit Zinkmangel stärker ausgeprägt, und die Toxizität von Blei wird durch Kalziummangel verstärkt. Ebenso wird die Adsorption von Eisen aus pflanzlichen Lebensmitteln durch die darin enthaltenen Komplexliganden gehemmt, und überschüssige Zinkionen können die Adsorption von Kupfer usw. hemmen. Die Bestimmung der Toxizitätsmechanismen von Metallionen wird oft durch die Existenz verschiedener Wege ihres Eindringens in einen lebenden Organismus erschwert. Metalle können über die Nahrung und Wasser eindringen, über die Haut aufgenommen werden, durch Einatmen usw. eindringen. Die Absorption mit Staub ist der Haupteindringweg bei industrieller Verschmutzung. Durch das Einatmen setzen sich die meisten Metalle in der Lunge ab und breiten sich erst dann in andere Organe aus. Am häufigsten gelangen giftige Metalle jedoch über die Nahrung und das Wasser in den Körper. Literaturverzeichnis 1. Karapetyants M.Kh., Drakin S.I. Allgemeine und anorganische Chemie. - M.: Chemie, 1993. - 590 S. Achmetow N.S. Allgemeine und anorganische Chemie. Lehrbuch für Universitäten. - M.: Höher. Schule, 2001. - 679 S. Drozdov D.A., Zlomanov V.P., Mazo G.N., Spiridonov F.M. Anorganische Chemie. In 3 Bänden. T. Chemie der Intransitionselemente. / Ed. Yu.D. Tretjakow - M.: Verlag. „Akademie“, 2004, 368 S. 5. Tamm I.E., Tretjakow Yu.D. Anorganische Chemie: In 3 Bänden, T.1. Physikalisch-chemische Grundlagen der anorganischen Chemie. Lehrbuch für Universitätsstudenten / Ed. Yu.D. Tretjakow. - M.: Verlag. „Akademie“, 2004, 240 S. Korzhukov N.G. Allgemeine und anorganische Chemie. Lehrbuch Nutzen. /Hrsg. V.I. Delyana-M.: Verlag. MISIS: INFRA-M, 2004, 512 S. 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Chemiekurs. - M.: Höher. Schule, 1983. - 511 S.
- Umwandlung durch Leber und Nieren in eine weniger toxische Form.
>> Chemie: Chemische Elemente in den Zellen lebender Organismen
In den Stoffen, aus denen die Zellen aller lebenden Organismen (Menschen, Tiere, Pflanzen) bestehen, wurden mehr als 70 Elemente entdeckt. Diese Elemente werden normalerweise in zwei Gruppen unterteilt: Makroelemente und Mikroelemente.
Makroelemente sind in großen Mengen in Zellen enthalten. Dies sind zunächst einmal Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Zusammen machen sie fast 98 % des gesamten Zellinhalts aus. Zu den Makroelementen zählen neben diesen Elementen auch Magnesium, Kalium, Kalzium, Natrium, Phosphor, Schwefel und Chlor. Ihr Gesamtgehalt beträgt 1,9 %. Somit beträgt der Anteil anderer chemischer Elemente etwa 0,1 %. Das sind Mikroelemente. Dazu gehören Eisen, Zink, Mangan, Bor, Kupfer, Jod, Kobalt, Brom, Fluor, Aluminium usw.
In der Milch von Säugetieren wurden 23 Spurenelemente gefunden: Lithium, Rubidium, Kupfer, Silber, Barium, Strontium, Titan, Arsen, Vanadium, Chrom, Molybdän, Jod, Fluor, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel usw.
Das Blut von Säugetieren enthält 24 Spurenelemente und das menschliche Gehirn enthält 18 Spurenelemente.
Wie Sie sehen, gibt es in der Zelle keine besonderen Elemente, die nur für die belebte Natur charakteristisch sind, das heißt, auf atomarer Ebene gibt es keine Unterschiede zwischen belebter und unbelebter Natur. Diese Unterschiede finden sich nur auf der Ebene komplexer Stoffe – auf molekularer Ebene. So enthalten die Zellen lebender Organismen neben anorganischen Substanzen (Wasser und Mineralsalze) nur für sie charakteristische Substanzen – organische Substanzen (Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Vitamine, Hormone usw.). Diese Stoffe sind hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff aufgebaut, also aus Makroelementen. Mikroelemente sind in diesen Substanzen in geringen Mengen enthalten, ihre Rolle für das normale Funktionieren von Organismen ist jedoch enorm. Beispielsweise steigern Verbindungen aus Bor, Mangan, Zink und Kobalt den Ertrag einzelner landwirtschaftlicher Pflanzen dramatisch und erhöhen ihre Widerstandsfähigkeit gegen verschiedene Krankheiten.
Menschen und Tiere erhalten über die Pflanzen, die sie essen, die Mikroelemente, die sie für ein normales Leben benötigen. Wenn in der Nahrung nicht genügend Mangan vorhanden ist, sind Wachstumsverzögerungen, eine verzögerte Pubertät und Stoffwechselstörungen beim Aufbau des Skeletts möglich. Die Zugabe von Bruchteilen eines Milligramms Mangansalze zur täglichen Ernährung von Tieren beseitigt diese Krankheiten.
Kobalt ist Bestandteil von Vitamin B12, das für die Funktion der blutbildenden Organe verantwortlich ist. Ein Mangel an Kobalt in der Nahrung führt häufig zu schweren Erkrankungen, die zur Erschöpfung des Körpers und sogar zum Tod führen.
Die Bedeutung von Mikroelementen für den Menschen wurde erstmals bei der Untersuchung einer Krankheit wie dem endemischen Kropf entdeckt, der durch einen Mangel an Jod in Nahrung und Wasser verursacht wurde. Die Einnahme von jodhaltigem Salz führt zur Genesung und die Zugabe in kleinen Mengen zur Nahrung beugt Krankheiten vor. Hierzu wird Speisesalz jodiert, dem 0,001-0,01 % Kaliumjodid zugesetzt wird.
Die meisten biologischen Enzymkatalysatoren enthalten Zink, Molybdän und einige andere Metalle. Diese Elemente, die in sehr geringen Mengen in den Zellen lebender Organismen enthalten sind, gewährleisten das normale Funktionieren der feinsten biochemischen Mechanismen und sind wahre Regulatoren lebenswichtiger Prozesse.
Viele Mikroelemente sind in Vitaminen enthalten – organischen Substanzen unterschiedlicher chemischer Natur, die in geringen Dosen mit der Nahrung in den Körper gelangen und einen großen Einfluss auf den Stoffwechsel und die Gesamtfunktion des Körpers haben. In ihrer biologischen Wirkung ähneln sie Enzymen, Enzyme werden jedoch von den Körperzellen gebildet und Vitamine stammen normalerweise aus der Nahrung. Vitaminquellen sind Pflanzen: Zitrusfrüchte, Hagebutten, Petersilie, Zwiebeln, Knoblauch und viele andere. Einige Vitamine – A, B1, B2, K – werden synthetisch gewonnen. Vitamine haben ihren Namen von zwei Wörtern: Vita – Leben und Amin – stickstoffhaltig.
Mikroelemente sind auch Bestandteil von Hormonen – biologisch aktiven Substanzen, die die Funktion von Organen und Organsystemen bei Mensch und Tier regulieren. Sie haben ihren Namen vom griechischen Wort harmao – ich erobere. Hormone werden von den endokrinen Drüsen produziert und gelangen ins Blut, das sie durch den Körper transportiert. Einige Hormone werden synthetisch gewonnen.
1. Makroelemente und Mikroelemente.
2. Die Rolle von Mikroelementen im Leben von Pflanzen, Tieren und Menschen.
3. Organische Substanzen: Proteine, Fette, Kohlenhydrate.
4. Enzyme.
5. Vitamine.
6. Hormone.
Auf welcher Ebene der Existenzformen eines chemischen Elements beginnt der Unterschied zwischen belebter und unbelebter Natur?
Warum werden einzelne Makroelemente auch als biogen bezeichnet? Listen Sie sie auf.
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Aus der Sicht des Konzepts lebender Systeme nach A. Lehninger.
Eine lebende Zelle ist ein isothermes System organischer Moleküle, das zur Selbstregulierung und Selbstreproduktion fähig ist und der Umwelt Energie und Ressourcen entzieht.
In einer Zelle laufen eine Vielzahl aufeinanderfolgender Reaktionen ab, deren Geschwindigkeit von der Zelle selbst reguliert wird.
Die Zelle bleibt in einem stationären dynamischen Zustand, weit entfernt vom Gleichgewicht mit der Umgebung.
Zellen funktionieren nach dem Prinzip des minimalen Verbrauchs an Komponenten und Prozessen.
Das. Eine Zelle ist ein elementares lebendes offenes System, das zur unabhängigen Existenz, Fortpflanzung und Entwicklung fähig ist. Es ist die elementare Struktur- und Funktionseinheit aller lebenden Organismen.
Chemische Zusammensetzung von Zellen.
Es wurde festgestellt, dass von den 110 Elementen des Periodensystems von Mendelejew 86 ständig im menschlichen Körper vorhanden sind. 25 davon sind für ein normales Leben notwendig, 18 davon sind unbedingt notwendig und 7 sind nützlich. Entsprechend dem prozentualen Gehalt in der Zelle werden chemische Elemente in drei Gruppen eingeteilt:
Makroelemente Die Hauptelemente (Organogene) sind Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff. Ihre Konzentration: 98 – 99,9 %. Sie sind universelle Bestandteile organischer Zellverbindungen.
Mikroelemente - Natrium, Magnesium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Kalium, Kalzium, Eisen. Ihre Konzentration beträgt 0,1 %.
Ultramikroelemente – Bor, Silizium, Vanadium, Mangan, Kobalt, Kupfer, Zink, Molybdän, Selen, Jod, Brom, Fluor. Sie beeinflussen den Stoffwechsel. Ihr Fehlen ist die Ursache von Krankheiten (Zink – Diabetes mellitus, Jod – endemischer Kropf, Eisen – perniziöse Anämie usw.).
Die moderne Medizin kennt Fakten über negative Wechselwirkungen zwischen Vitaminen und Mineralstoffen:
Zink verringert die Kupferaufnahme und konkurriert mit Eisen und Kalzium um die Aufnahme; (und Zinkmangel führt zu einer Schwächung des Immunsystems und einer Reihe pathologischer Zustände seitens der endokrinen Drüsen).
Calcium und Eisen verringern die Aufnahme von Mangan;
Vitamin E verbindet sich nicht gut mit Eisen und Vitamin C lässt sich nicht gut mit B-Vitaminen verbinden.
Positive Interaktion:
Vitamin E und Selen sowie Calcium und Vitamin K wirken synergistisch;
Vitamin D ist für die Aufnahme von Kalzium notwendig;
Kupfer fördert die Aufnahme und steigert die Effizienz der Eisenverwertung im Körper.
Anorganische Bestandteile der Zelle.
Wasser– der wichtigste Bestandteil der Zelle, das universelle Ausbreitungsmedium lebender Materie. Aktive Zellen terrestrischer Organismen bestehen zu 60–95 % aus Wasser. In ruhenden Zellen und Geweben (Samen, Sporen) befindet sich 10 – 20 % Wasser. Wasser in der Zelle liegt in zwei Formen vor – frei und an Zellkolloide gebunden. Freies Wasser ist das Lösungs- und Dispersionsmedium des kolloidalen Protoplasmasystems. Es sind 95 %. Gebundenes Wasser (4–5 %) des gesamten Zellwassers bildet schwache Wasserstoff- und Hydroxylbindungen mit Proteinen.
Eigenschaften von Wasser:
Wasser ist ein natürliches Lösungsmittel für Mineralionen und andere Stoffe.
Wasser ist die dispersive Phase des kolloidalen Protoplasmasystems.
Wasser ist das Medium für Zellstoffwechselreaktionen, denn Physiologische Prozesse finden in einer ausschließlich aquatischen Umgebung statt. Bietet Hydrolyse-, Hydratations- und Quellungsreaktionen.
Beteiligt sich an vielen enzymatischen Reaktionen der Zelle und wird im Stoffwechsel gebildet.
Wasser ist eine Quelle für Wasserstoffionen während der Photosynthese in Pflanzen.
Biologische Bedeutung von Wasser:
Die meisten biochemischen Reaktionen laufen nur in wässriger Lösung ab; viele Substanzen gelangen in gelöster Form in die Zellen und verlassen diese. Dies charakterisiert die Transportfunktion von Wasser.
Wasser sorgt für Hydrolysereaktionen – den Abbau von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten unter dem Einfluss von Wasser.
Durch die hohe Verdunstungswärme wird der Körper abgekühlt. Zum Beispiel das Schwitzen beim Menschen oder die Transpiration bei Pflanzen.
Die hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit von Wasser trägt zur gleichmäßigen Wärmeverteilung in der Zelle bei.
Aufgrund der Adhäsionskräfte (Wasser – Boden) und Kohäsionskräfte (Wasser – Wasser) besitzt Wasser die Eigenschaft der Kapillarität.
Die Inkompressibilität von Wasser bestimmt den Spannungszustand der Zellwände (Turgor) und des hydrostatischen Skeletts bei Spulwürmern.
1. Geben Sie Definitionen von Konzepten an.
Element- eine Ansammlung von Atomen mit der gleichen Kernladung und der gleichen Anzahl an Protonen, die mit der Ordnungszahl im Periodensystem übereinstimmen.
Mikroelement
- ein Element, das in sehr geringen Konzentrationen im Körper vorkommt.
Makronährstoff
- ein Element, das in hohen Konzentrationen im Körper vorkommt.
Bioelement- ein chemisches Element, das am Leben einer Zelle beteiligt ist und die Grundlage für Biomoleküle bildet.
Elementarzusammensetzung der Zelle
- Prozentsatz der chemischen Elemente in der Zelle.
2. Was ist einer der Beweise für die Gemeinsamkeit von belebter und unbelebter Natur?
Einheit der chemischen Zusammensetzung. Es gibt keine Elemente, die nur für die unbelebte Natur charakteristisch sind.
3. Füllen Sie die Tabelle aus.
ELEMENTARE ZUSAMMENSETZUNG EINER ZELLE
4. Nennen Sie Beispiele für organische Substanzen, deren Moleküle aus drei, vier und fünf Makroelementen bestehen.
3 Elemente: Kohlenhydrate und Lipide.
4 Elemente: Proteine.
5 Elemente: Nukleinsäuren, Proteine.
5. Füllen Sie die Tabelle aus.
BIOLOGISCHE ROLLE DER ELEMENTE
6. Studieren Sie den Abschnitt „Die Rolle externer Faktoren bei der Bildung der chemischen Zusammensetzung der lebenden Natur“ in § 2.2 und beantworten Sie die Frage: „Was sind biochemische Endemiten und was sind die Gründe für ihre Entstehung?“
Biochemische Endemiten sind Krankheiten bei Pflanzen, Tieren und Menschen, die durch einen starken Mangel oder Überschuss eines Elements in einem bestimmten Gebiet verursacht werden.
7. Welche Krankheiten kennen Sie, die mit einem Mangel an Mikroelementen einhergehen?
Jodmangel – endemischer Kropf. Eine Abnahme der Thyroxinsynthese und infolgedessen eine Proliferation von Schilddrüsengewebe.
Eisenmangel – Eisenmangelanämie.
8. Denken Sie daran, auf welcher Grundlage chemische Elemente in Makro-, Mikro- und Ultramikroelemente unterteilt werden. Schlagen Sie Ihre eigene alternative Klassifizierung chemischer Elemente vor (z. B. nach Funktionen in einer lebenden Zelle).
Mikro-, Makro- und Ultramikroelemente werden nach ihrem Anteil in der Zelle eingeteilt. Darüber hinaus ist es möglich, Elemente nach ihren Funktionen zu klassifizieren und die Aktivität bestimmter Organsysteme zu regulieren: Nerven-, Muskel-, Kreislauf- und Herz-Kreislauf-Systeme, Verdauungsorgane usw.
9. Wählen Sie die richtige Antwort.
Test 1.
Welche chemischen Elemente bilden die meisten organischen Substanzen?
2) C, O, H, N;
Test 2.
Gilt nicht für Makroelemente:
4) Mangan.
Test 3.
Lebende Organismen brauchen Stickstoff, weil er dient:
1) ein Bestandteil von Proteinen und Nukleinsäuren;
10. Bestimmen Sie die Eigenschaft, durch die alle folgenden Elemente bis auf eines zu einer Gruppe zusammengefasst werden. Betonen Sie dieses „zusätzliche“ Element.
Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefel, Eisen, Kohlenstoff, Phosphor, Stickstoff. Enthält nur DNA. Und der Rest besteht aus Proteinen.
11. Erklären Sie den Ursprung und die allgemeine Bedeutung des Wortes (Begriffs) anhand der Bedeutung der Wurzeln, aus denen es besteht.
12. Wählen Sie einen Begriff aus und erklären Sie, wie seine moderne Bedeutung mit der ursprünglichen Bedeutung seiner Wurzeln übereinstimmt.
Ausgewählter Begriff– Organogen.
Korrespondenz: Der Begriff entspricht im Prinzip seiner ursprünglichen Bedeutung, heute gibt es jedoch eine genauere Definition. Früher war die Bedeutung so, dass die Elemente nur am Aufbau von Geweben und Organzellen beteiligt waren. Nun wurde festgestellt, dass biologisch wichtige Elemente nicht nur chemische Moleküle in Zellen usw. bilden, sondern auch alle Prozesse in Zellen, Geweben und Organen regulieren. Sie sind Bestandteil von Hormonen, Vitaminen, Enzymen und anderen Biomolekülen.
13. Formulieren und notieren Sie die Hauptgedanken von § 2.2.
Die Elementzusammensetzung einer Zelle ist der prozentuale Anteil chemischer Elemente in der Zelle. Zellelemente werden je nach Anteil üblicherweise in Mikro-, Makro- und Ultramikroelemente eingeteilt. Die Elemente, die am Leben der Zelle beteiligt sind und die Grundlage von Biomolekülen bilden, werden Bioelemente genannt.
Zu den Makroelementen gehören: C N H O. Sie sind die Hauptbestandteile aller organischen Verbindungen in der Zelle. Darüber hinaus sind P S K Ca Na Fe Cl Mg – Bestandteil aller wichtigen Biomoleküle. Ohne sie kann der Körper nicht funktionieren. Ihr Mangel führt zum Tod.
Für Mikroelemente: Al Cu Mn Zn Mo Co Ni I Se Br F B usw. Sie sind auch für das normale Funktionieren des Körpers notwendig, aber nicht so kritisch. Ihr Mangel verursacht Krankheiten. Sie sind Bestandteil biologisch aktiver Verbindungen und beeinflussen den Stoffwechsel.
Es gibt Ultramikroelemente: Au Ag Be usw. Die physiologische Rolle ist nicht endgültig geklärt. Aber sie sind wichtig für die Zelle.
Es gibt das Konzept der „biochemischen Endemiten“ – Krankheiten von Pflanzen, Tieren und Menschen, die durch einen starken Mangel oder Überschuss eines Elements in einem bestimmten Gebiet verursacht werden. Zum Beispiel endemischer Kropf (Jodmangel).
Kommt es ernährungsbedingt zu einem Mangel an einem Element, kann es auch zu Krankheiten oder Beschwerden kommen. Zum Beispiel bei Eisenmangel – Anämie. Bei Kalziummangel - häufige Brüche, Haarausfall, Zahnverlust, Muskelschmerzen.
