Цинк входит в состав гемоглобина тироксина инсулина древесины
Химический состав клетки
Для всего живого характерно избирательное отношение к окружающей среде. Из 110 элементов периодической системы Д. И. Менделеева в состав организмов входит более половины. Однако необходимых для жизни элементов, без которых живое не может обойтись, всего около 20.
Все эти элементы входят в состав неживой природы и земной коры, а также в состав живых организмов, но их процентное распределение в живых и неживых телах различно.
Элементный состав живой материи
Накоплением знаний о биомолекулах занимается молекулярная биология, развивающаяся в тесном контакте с биохимией. Биохимия изучает жизнь на уровне молекул и элементов.
Макроэлементы (греч. makrós — большой и лат. elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, являющиеся основными компонентами всех живых организмов. К ним относят кислород, водород, углерод, азот, железо, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий и хлор. Эти элементы также и универсальные компоненты органических соединений. Их концентрация достигает в сумме 98 — 99%.
Все макроэлементы разделяют на 2 группы.
Роль макроэлементов I и II групп
| Макроэлементы I группы | Макроэлементы II группы |
|---|---|
| O, C, H и N | P, S, K, Mg, Na, Ca, Fe и Cl |
| Главные компоненты всех живых организмов (98% массы) | Обязательные компоненты всех живых организмов (0,01 — 0,9% массы) |
| Входят в состав подавляющего большинства органических и неорганических веществ клетки. В частности, все углеводы и липиды состоят из O, C, H, белки и нуклеиновые кислоты — из O, C, H и N | Входят в состав многих неорганических и органических соединений клетки, в том числе ферментов и др. |
| Поступают в живые организмы из атмосферы, с водой и пищей | Поступают в организмы растений в составе ионов солей, в организмы животных — с пищей |
Содержание биоэлементов в клетке
| Элемент | Содержание в клетке, % от массы |
|---|---|
| Кислород (О) | 65,00 — 75,00 |
| Углерод (С) | 15,00 — 18,00 |
| Водород (Н) | 8,00 — 10,00 |
| Азот (N) | 1,00 — 3,00 |
| Фосфор (P) | 0,20 — 1,00 |
| Сера (S) | 0,15 — 0,20 |
Микроэлементы (греч. mikrós — малый и лат. elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, содержащиеся в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже), но крайне необходимые для нормальной жизнедеятельности. Это алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, иод, селен, бром, фтор, бор и некоторые другие.
Микроэлементы входят в состав разнообразных биологически активных соединений: ферментов (например, Zn, Cu, Mn, Mo; всего известно около 200 металлоферментов), витаминов (Со — в состав витамина B12), гормонов (I — в тироксин, Zn и Со — в инсулин), дыхательных пигментов (Cu — в гемоцианин). Микроэлементы влияют на рост, размножение, кроветворение и т. д.
Кобальт входит в состав витамина В12 и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии.
1 — кобальт в природе; 2 — структурная формула витамина В12; 3 — эритроциты здорового человека и эритроциты больного анемией
Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений.
1 — молибденит (минерал, содержащий молибден); 2 — азотфиксирующие бактерии; 3 — устьичный аппарат
Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов.
1 — медь; 2 — частицы меланина в клетках кожи; 3 — рост и развитие растения
Йод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы — тироксина.
1 — йод; 2 — внешний вид щитовидной железы; 3 — клетки щитовидной железы, синтезирующие тироксин
Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей.
1 — бор в природе; 2 — пространственная структура бора; 3 — верхушечная почка
Цинк входит в состав гормона поджелудочной железы — инсулина, а также действует на рост животных и растений.
1 — пространственная структура инсулина; 2 — поджелудочная железа; 3 — рост и развитие животных
В организмы растений и микроорганизмов микроэлементы поступают из почвы и воды; в организмы животных и человека — с пищей, в составе природных вод и с воздухом.
Ультрамикроэлементы (лат. ultra — сверх, за пределами; греч. mikrós — малый и лат.elemėntum — первоначальное вещество) — химические элементы, содержащиеся в организмах в ничтожно малых концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и некоторые другие элементы.
Их физиологическая роль в живых организмах пока до конца не установлена.
ТЕСТ
ВИДЕО
Химический состав клетки
Клетки всех живых организмов имеют сходный химический состав, включающий в себя органические и неорганические вещества. Каждое из таких соединений выполняет в структуре живого определенную функцию, которая связана с их строением.
Химический состав клетки
Большая часть химических элементов, находящихся в Периодической системе Менделеева Д.И., обнаружена внутри живых клеток. Там они находятся не в хаотичном расположении, а образуют органические и неорганические соединения. Хотя соединений неорганического типа внутри «живого» больше, роль органических веществ гораздо значимее!
Областью биологии, занимающейся изучением химического состава клеток, является биохимия. На долю органических веществ выпала функция определения уникальности живого организма на планете.
Макро- и микроэлементы
Все содержащиеся внутри живых клеток элементы объединяют в две большие группы: микроэлементы и макроэлементы.
О микроэлементах
Внутри живых клеток содержится минимальная часть микроэлементов (0,01%), но без этого количества живые организмы не могут полноценно существовать. В категорию микроэлементов относят:
- фтор (формирует зубную эмаль);
- йод (синтезирует гормон щитовидной железы);
- кобальт (составная часть витамина В12);
- медь (участвует в дыхании);
- цинк (входит в состав инсулина);
- магний (входит в состав молекулы хлорофилла у растений);
- кремний (образование коллагеновых волокон);
- литий (регулирует процессы размножения).
Условия окружающей среды определяют концентрацию химических элементов внутри живого организма. К примеру, повышенное содержание меди имеется внутри моллюсков, а железа – в позвоночных организмах.
Про макроэлементы
Внутри живого организма содержание макроэлементов составляет около 99%. Наиболее важная роль из них отводится:
- азоту;
- углероду;
- водороду;
- кислороду.
Это органогенные элементы, так как они образуют главные органические соединения. Остальные (сера, фосфор и прочие) отвечают за происходящие в живом организме процессы.
При избытке либо дефиците в организме микро- и макроэлементов развиваются различные заболевания. Поэтому, периодически следует восполнять концентрацию данных элементов в живом организме, увеличивая или уменьшая их количество в пище.
Неорганические вещества клетки
В категорию неорганических соединений относят минеральные соли и воду.
- Минеральные соли.
- Данные вещества представлены в организмах в нерастворенных либо растворенных формах. Их основной функцией служит поддержание буферных свойств цитоплазмы (постоянство слабощелочной реакции внутри цитоплазмы). Также они ответственны за формирование зубов и костей, участвуют в процессах кроветворения. У растений минеральные соли ответственны за интенсивность процесса фотосинтеза и рост.
- Молекулы воды.
- Благодаря наличию в ее структуре прочных ковалентных связей, вода обладает ярко выраженными свойствами «растворителя».
Органические вещества клетки
К органическим соединениям, находящимся внутри живого относят:
- Белки. Данные органические полимеры состоят из аминокислот, образуя в организме первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры строения. Основными их функциями являются: строительная (входят в состав клеточных мембран), защитная (иммунобелки) и транспортная (перенос кислорода гемоглобином).
- Жиры. Это липидоподобные соединения, обладающие яркими гидрофобными свойствами. При расщеплении 1 г. жира высвобождается значительное количество энергии(38,9 кДж), идущей на поддержание температуры тела и выполнение движений.
- Углеводы. Данные соединения состоят из углерода, кислорода и водорода. Различают следующие группы углеводов: моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза), дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) и полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза). При их расщеплении выделяется много энергии, необходимой для протекания процессов жизнедеятельности. Также, они способны накапливаться как запасные питательные вещества в виде крахмала и гликогена.
- Нуклеиновые кислоты. Представлены молекулами рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. РНК ответственна за синтез белковых молекул и транспортировку аминокислот. ДНК отвечает за хранение наследственных признаков с их последующей передачей.
- Аденозинтрифосфорная кислота. Состоит из: трех остатков фосфорной кислоты, аденина (азотистое основание) и рибозы (пятиосновного сахара). Молекулы аденозинтрифосфорной кислоты АТФ отвечают за идущий в митохондриях синтез энергии и ее хранение.
Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ
Выполняемые неорганическими и органическими веществами функции тесно связаны с их строением. Так, покрывающая клетку мембрана (оболочка) содержит в своем составе углеводы, белки и липиды. Находящиеся на поверхности клеточной оболочки белки-рецепторы воспринимают сигналы из окружающего пространства, выполняя тем самым рецепторную функцию.
Содержание липидов (жиров) внутри мембран определяет проницаемость оболочки для одних соединений и непроницаемость для других. Углеводы ответственны за синтез молекул АТФ, запасающих энергию. Аналогично связано строение других компонентов клетки с их составом.
Роль химических веществ в клетке и организме человека
Внутри живых организмов каждое химическое вещество играет определенную роль, благодаря чему весь организм способен полноценно жить. Так, присутствие в клетке магния способствует выработке некоторых ферментов и формированию хлорофилла у растений. Кальций формирует прочность зубов и костей человека, а также активирует работу волокон мышц.
Без серы в организме не смогут образовываться белки, а без ионов натрия и калия в клетку не смогут поступать некоторые соединения.
Функции химических элементов в клетке
| Элемент | Функция |
| O, H | Входят в состав воды;
|
| C, O, H, N | входят в состав белков, жиров, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов. |
| K, Na, Cl | проводят нервные импульсы. |
| Ca | компонент костей, зубов необходим для мышечного сокращения, компонент свертывания крови, посредник в механизме действия гормонов. |
| Mg | структурный компонент хлорофилла, поддерживает работу рсом и митохондрий |
| Fe | структурный компонент гемоглобина, миоглобина. |
| S | в составе серосодержащих аминокислот, белков. |
| P | в составе нуклеиновых кислот, костной ткани. |
| B | необходим некоторым растениям. |
| Mn, Zn, Cu | активаторы ферментов, влияют на процессы тканевого дыхания. |
| Co | входит в состав витамина В12. |
| F | состав эмали зубов. |
| I | состав тироксина. |
Смотри также:
- Современная клеточная теория, ее основные положения
- Многообразие клеток. Прокариоты и эукариоты. Сравнительная характеристика клеток растений, животных, бактерий, грибов
- Строение клетки. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки – основа ее целостности
Минеральный состав внутриклеточной жидкости строго поддерживается на определенном уровне.
Элементы вместе с водой являются строительным материалами, кофакторами и катализаторами биохимических реакций, стабилизаторами белков и ферментов, обеспечивая постоянство осмотического давления, кислотно-щелочного баланса, процессов всасывания, секреции, кроветворения, костеобразования, свертывания крови. Благодаря присутствию элементов осуществляется процесс мышечного сокращения, нервной проводимости и внутриклеточного дыхания. Химические элементы в организме находятся в виде различных соединений и солей, их влияние на организма обусловлено дозой элемента. Для каждого элемента существует свой физиологический рабочий диапазон концентраций, обеспечивающий нормальное протекание физиологических реакций в организме.
Нарушенная экология, возросший темп жизни с неизбежным нарастанием стрессовых ситуаций, методы обработки продуктов питания, «убивающие» биологически активные вещества ведут к нарушению металло-лигандного гомеостаза и сдвигу равновесия в сторону увеличения или уменьшения концентрации элемента. Накопление элементов или их дефицит способствует активации альтернативных путей метаболизма, который в ряде случаев приводят к патологическим состояниям.
Химические элементы классифицируются в зависимости от их роли в организме. 98% тела человека состоит из органических элементов: H, C, N, O. Вместе с неорганическими элементами Na, Mg, K, Ca, P, S, Cl они составляют основу клеток и тканей, выполняя структурообразующую функцию. К эссенциальным или жизненно необходимым микроэлементам относятся Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, I, при их отсутствии нарушаются базовые реакции деления и размножение клеток. К условно-эссенциальным микроэлементам относятся Li, V, Cr, B, F, Si, As, их роль до конца не определена. Существуют также «токсические металлы», которые в минимальных концентрациях способны оказывать стимулирующее воздействие на организм, но в высоких концентрациях проявляют токсические эффекты.
Микроэлементы составляют лишь 0,02% организма, но способны изменять протекание важнейших биологических реакций. Анализ волос или мочи позволяет выявить избыточное накопление микроэлементов или их дефицит. Содержание микроэлементов в волосах отражает микроэлементный статус организма в целом, поэтому пробы волос являются интегральным показателем минерального обмена. Волосы помогают диагностировать хронические заболевания, когда они себя еще ничем не проявляют.
Железо (Fe)
Железо является жизненно необходимым элементом для организма. Железо входит в состав гемсодержащих белков (гемоглобин и миоглобин) и участвует в переносе кислорода. Железо также входит в состав цитохромов (сложные белки, относящиеся к классу хромопротеидов), участвующих в процессах тканевого дыхания.
Общее содержание железа в организме человека составляет 3-5 г. Из этого количества 57% находится в гемоглобине крови, 23% — в тканях и тканевых ферментах (ферритин и гемосидерин), а остальные 20% — депонированы в печени, селезенке, костном мозге, мышцах и представляют собой “физиологический резерв” железа. Железо существует в двух формах: окисленной (Fe3+) и воcстановленной (Fe2+). Восстановленная форма лучше усваивается организмом. Только 10 % поступившего железо всасывается в кишечнике.
Физиологическая потребность в железе:
- мужчины: 8–10 мг/сут;
- женщины: 15–20 мг/сут;
- беременных женщины: 30–40 мг/сут;
- дети: 4–18 мг/сут.
В больших количествах восстановленная форма железа (гемовое железо), содержится: в свиной печени, говяжьих почках, сердце и печени. Окисленная форма железа (негемовое железо) содержится в неживотных продуктах: непросеянной муке, сушеных персиках, орехах, бобах, спарже, овсяном толокне.
Недостаток железа приводит к тяжелым расстройствам, наиболее важным из которых является железодефицитная анемия. Железодефицитная анемия может привести к сердечной недостаточности.
Избыточное накопление железа приводит к отложению металла в органах (печень, поджелудочная железа, суставы, сердце). Явления отравления железом выражаются рвотой, диареей, падением артериального давления, параличом ЦНС и воспалением почек. При лечении железом могут развиться запоры, так как железо связывает сероводород, что ослабляет моторику кишечника. Избыток железа в организме может привести к дефициту меди, цинка, хрома и кальция, а также к избытку кобальта.
Йод (I)
Йод необходим на всех этапах жизнедеятельности. Период младенчества и раннего детства являются критическими в отношении дефицита йода. Йод входит в состав гормонов щитовидной железы тироксина (T4) и трийодтиронина (T3). Йод необходим для роста и дифференцировки клеток всех тканей организма человека, внутриклеточного дыхания, регуляции трансмембранного транспорта натрия и гормонов.
Общее количество йода в организме составляет 25 мг, из них 15 мг аккумулирует щитовидная железа. Значительное количество йода содержится в печени, почках, коже, волосах, ногтях, яичниках и предстательной железе.
Физиологическая потребность в йоде:
- взрослые: 100–150 мкг/сут;
- беременные: 175–200 мкг/сут;
- дети: от 60 до 150 мкг/сут.
Богатым источником йода являются водоросли, овощи, выращенные на почве обогащенной йодом, лук, морепродукты.
При недостаточном поступлении йода у взрослых увеличиваются размеры щитовидной железы, замедляется основной обмен, наблюдается падение артериального давления. У детей недостаток йода сопровождается резкими изменениями всей структуры тела: ребенок отстает в умственном и физическом развитии.
Избыток йода в организме наблюдается при гипертиреозе. Развивается Базедова болезнь, сопровождающаяся экзофтальмом, тахикардией, раздражительностью, мышечной слабостью, потливостью, исхуданием, склонностью к диарее. Повышение основного обмена ведет к гипертермии, дистрофическим изменениям кожи и ее придатков, раннему поседению, депигментации кожи на ограниченных участках (витилиго), атрофии мышц.
Марганец (Mn)
Важен для репродуктивных функций и нормальной работы центральной нервной системы. Марганец участвует в синтезе нейромедиаторов, улучшает мышечные рефлексы, обеспечивает развитие соединительной и костной ткани, увеличивает утилизацию жиров, усиливает эффекты инсулина.
3–5 % поступившего марганца всасывается. Наиболее богаты марганцем трубчатые кости и печень, поджелудочная железа. Марганец содержится в клетках, богатых митохондриями.
Физиологическая потребность в марганце:
- взрослые: 2–5 мг/сут;
- для детей в 2 раза выше.
Особенно богаты марганцем чай, растительные соки, цельные злаковые, орехи, зеленые овощи с листьями, горох, свёкла.
При недостатке марганца нарушаются процессы окостенения во всем скелете, трубчатые кости утолщаются и укорачиваются, суставы деформируются. Нарушается репродуктивная функция яичников и яичек.
Избыток марганца усиливает дефицит магния и меди.
Медь (Cu)
Медь принимает участие в поддержание эластичности связок, сухожилий, кожи и стенок легочных альвеол, стенок капилляров, а также прочности костей. Медь входит в состав защитных оболочек нервных волокон, участвует в процессах пигментации, так как входит в состав меланина. Медь влияет на углеводный обмен, посредством усиления процессов окисления глюкозы и торможения распада гликогена мышц и печени. Медь обладает противовоспалительными действиями, помогает при борьбе с бактериальными агентами. Медь является кофактором ферментов антиоксидантной защиты и помогает нейтрализовать действие свободных радикалов.
Общее содержание меди в организме человека составляет примерно 100–150 мг. Лучше всего организм усваивает двухвалентную медь. В тонком кишечнике всасывается до 95% меди, поступившей с пищей. Основное “депо” меди в организме — печень, поскольку синтезирует белок-переносчик меди церулоплазмин.
Физиологическая потребность в меди:
- взрослые: 1 мг/сут;
- дети: от 0,5 до 1 мг/сут.
Медь содержится в овощах, бобовых, морепродуктах, яблоках.
При недостатке меди в организме наблюдаются: задержка роста, анемия, дерматозы, депигментация волос, частичное облысение, потеря аппетита, сильное исхудание, понижение уровня гемоглобина, атрофия сердечной мышцы. Избыток меди приводит к дефициту цинка и мoлибдена, а также марганца.
Молибден (Мо)
Способствует метаболизму углеводов и жиров, является важной частью фермента, отвечающего за утилизацию железа, в связи с чем помогает предупредить анемию. Принимает участие в обмене мочевой кислоты, включении фтора в состав эмали зубов, гемопоэзе.
Биодоступность молибдена составляет 50%. Молибден не депонируется в организме, а распределяется между клетками крови.
Физиологическая потребность в молибдене:
- взрослые: 45–100 мкг/сут;
- дети: от 0,5 до 1 мг/сут.
Содержится в темно-зеленых листовых овощах, неочищенном зерне, бобовых. Проявления недостаточности изучены плохо. Повышенное содержание в организме встречается очень редко.
Селен (Sе)
Элемент антиоксидантной защиты, хорошо сочетается с витамином Е. Селен помогает поддерживать должную эластичность тканей. Селен усиливает иммунитет, поэтому активно используется в онкологической практике, в лечении гепатитов, панкреатитов, кардиомиопатий. Селен защищает организм от тяжёлых металлов.
Всасывается в тонком кишечнике, депонируется в почках, печени, костном мозге.
Физиологическая потребность в селене:
- женщины: 50 мкг/сут;
- беременные: 65 мкг/сут;
- мужчины: 70 мкг/сут;
- дети: 10-50 мкг/сут.
В чистом виде встречается в природе редко, главным образом в виде примеси к сернистым металлам. Присутствует в чесноке, сале, отрубях, белых грибах, растительных маслах, морских водорослях.
При дефиците селена в организме усиленно накапливаются мышьяк и кадмий, которые, в свою очередь, еще больше усугубляют его дефицит.
Избыток селена приводит к гепато- и холецистопатиям, изменениям работы нервно-мышечного аппарата (боли в конечностях, судороги, чувство онемения). Избыток может привести к дефициту кальция.
Цинк (Zn)
Цинк входит в состав более 300 ферментов, чем объясняет его влияние на углеводный, жировой и белковый обмен веществ, на окислительно-восстановительные процессы, регуляцию активности генов. Цинк связан с правильным функционированием репродуктивной, неврологической, иммунной систем, ЖКТ и кожи. Присутствие микроэлемента важно для нормального сперматогенеза, органогенеза, работы нейромедиаторов и панкреатических ферментов, правильного развития тимуса, эпителизации ран в процессе заживления и ощущения вкуса.
В организме содержится около 1,5–3 г цинка. Цинк всасывается в тонком кишечнике. Медь является антагонистом цинка, и конкурирует с цинком за всасывание в кишечнике. 99% цинка находится внутриклеточно, 1% — в плазме. Цинк присутствует во всех органах и тканях, но в большей степени цинк депонируют предстательная железа, семенники, мышцы, кожа, волосы.
Физиологическая потребность в цинке составляет: 12 мг/сут для взрослых, 3–2 мг/сут для детей.
Наиболее богаты цинком дрожжи, пшеничные, рисовые и ржаные отруби, зерна злаков и бобовых, какао, морепродукты, грибы, лук, картофель.
При дефиците цинка наблюдается задержка роста, перевозбуждение нервной системы и быстрое утомление. Поражение кожи происходит с утолщением эпидермиса, отеком кожи, слизистых оболочек рта и пищевода, ослаблением и выпадением волос. Недостаточное поступление цинка приводит к бесплодию. Дефицит цинка может приводить к усиленному накоплению железа, меди, кадмия, свинца.
При цинковом отравлении наступает фиброзное перерождение поджелудочной железы. Избыток цинка задерживает рост и нарушает минерализацию костей.
Кобальт (Co)
Входит в состав витамина В12, участвует в обмене гормонов щитовидной железы, подавляет обмен йода, регулирует гемопоэз, усиливает всасываемость железа.
В организме 1,5 г кобальта. Биодоступность кобальта 20%. В организм кобальт депонируется в печени, костной ткани и мышцах.
Физиологическая потребность в кобальте составляет: 10 мкг/сут для взрослых.
Кобальт содержится в печени, молоке, овощах.
Дефицит кобальта связан с В12-дефицитной анемией, вегетарианством или паразитарной инвазией. Избыток кобальта наблюдается при интоксикации кобальта (вредное производство, разрушение ортопедических имплантантов).
Никель (Ni)
Никель пролонгирует эффекты инсулина, участвует в окислении аскорбиновой кислоты, ускоряет образование дисульфидных групп.
Никель всасывается в кишечнике, биодоступность от 1 до 10 %. Запасы никеля находятся в поджелудочной железе, легких, сердце.
Физиологическая потребность в никеле составляет: 100–200 мкг/сут для взрослых.
Богаты никелем чай, гречиха, морковь и салат.
Дефицит никеля не описан. Избыток никеля наблюдается при его токсическом поступлении, злокачественных новообразованиях легких, ожогах, инсультах и инфарктах. Избыток может проявлять потерей пигментацией кожи.