Деякі хімічні елементи в складі живих організмів та їхнє біологічне значення

Важко переоцінити роль органогенних елементів у забезпеченні нормального функціонування організмів. Так, з атомів Гідрогену й Оксигену складаються молекули води. Докладніше біологічну роль води, її властивості та функції у біологічних системах ми розглянемо згодом. Варто пригадати роль кисню (О2) у процесі дихання організмів. Надходячи в організм живої істоти під час дихання, він забезпечує окиснення різних органічних сполук. Унаслідок цих процесів вивільняється енергія, що забезпечує різноманітні процеси життєдіяльності. Лише деякі організми, переважно бактерії та паразитичні тварини, можуть існувати за відсутності кисню; їх називають анаеробними.

Мал. 4.1. Колообіг Нітрогену в природі: атмосферний азот (1) унаслідок низки хімічних реакцій (2, 3) перетворюється на нітрат-іони (4); рослини (5) вбирають їх за допомогою кореневої системи і синтезують молекули, які споживають тварини (6); рештки рослин (7) і тварин (8) розкладають бактерії (9), повертаючи сполуки Нітрогену у вигляді натрат-іонів у ґрунт (4)

Атоми Нітрогену входять до складу мінеральних сполук, які споживають з ґрунту рослини. Сполуки Нітрогену сприяють росту рослин, підвищенню їхньої зимостійкості. Азот (N2) переважає серед інших атмосферних газів (близько 79 %). І хоча для більшості живих істот цей газ інертний, його можуть засвоювати з атмосфери деякі організми (наприклад, азотфіксуючі бактерії, ціанобактерії). Завдяки цьому сполуки Нітрогену надходять у ґрунт, зберігаючи та підвищуючи його родючість (мал. 4.1).

Оскільки Нітроген входить до складу білків та інших органічних речовин, його сполуки необхідні для нормального росту організмів. А ще пригадайте, що Нітроген входить до складу хітину - складової клітинної стінки грибів і зовнішнього скелета членистоногих (мал. 4.2), яка надає їм додаткової міцності.

Карбон у складі СО2 забезпечує повітряне живлення рослин і деяких інших організмів, здатних до фотосинтезу (пурпурні та зелені сіркобактерії, ціанобактерії, деякі одноклітинні тварини). Ці автотрофні організми фіксують СО2 й використовують Карбон для синтезу власних органічних речовин. А далі по ланцюгах живлення створені ними органічні сполуки передаються гетеротрофним організмам, наприклад тваринам.

Сполуки Кальцію входять до складу черепашок молюсків, деяких одноклітинних тварин (форамініфер), панцирів раків, кісток і зубів хребетних тварин тощо. Важливе значення має достатнє надходження сполук Кальцію до організму дітей і вагітних жінок. Нестача сполук Кальцію в дітей може спричинити викривлення кісток - рахіт. Посилені витрати сполук Кальцію в організмі вагітних жінок пов’язані з тим, що в цей час формується скелет зародка. Сполуки Кальцію містять курячі яйця, молочні продукти, зокрема м’який сир тощо.

Сполуки Калію необхідні для нормальної діяльності нервової та серцево-судинної систем, мускулатури. Важлива роль сполук Калію і Кальцію в регуляції роботи серця: підвищена концентрація йонів Са2+ прискорює роботу серця, а йонів К+ - уповільнює. Ці особливості впливу йонів К+ використовують для створення ліків, що нормалізують роботу серця. Багато сполук Калію міститься в картоплі, фруктах (абрикосах, сливах тощо).

Сполуки Калію та Купруму підвищують холодостійкість рослин і тим самим забезпечують краще переживання зимового періоду.

Мал. 4.2. Нітроген входить до складу хітину, що є складовою клітинних стінок грибів (1) та зовнішнього скелета членистоногих (2)

Мал. 4.3. Роль Феруму в житті організмів: 1 - еритроцити, до складу яких входить дихальний пігмент гемоглобін; 2 - молекула гемоглобіну, до складу якої входить атом Феруму; 3 - нестача Феруму в ґрунті спричиняє хлороз рослин

Ви вже знаєте, що атом Феруму входить до складу дихального пігменту - гемоглобіну (мал. 4.3, 2). Гемоглобін здатний зв’язувати гази (пригадайте, які) та транспортувати їх по організму. Тому за умови нестачі в організмі Феруму чи при порушенні засвоєння цього хімічного елемента можуть порушуватися процеси утворення еритроцитів, виникає захворювання - недокрів’я, або анемія. Сполуки Феруму, необхідні для кровотворення, містяться в яблуках та інших продуктах рослинного походження (абрикосах, зелені петрушки тощо), а також печінці та яйцях.

Сполуки Феруму та Магнію необхідні рослинам для того, щоб в їхніх клітинах утворювався пігмент хлорофіл. Атом Магнію входить до складу молекули хлорофілу, а для синтезу хлорофілу необхідна наявність Феруму. За нестачі або відсутності цих хімічних елементів листки рослин стають блідо-зеленими чи взагалі втрачають зелений колір. Унаслідок цього процеси фотосинтезу порушуються або припиняються, і рослина зрештою гине. Таке захворювання має назву хлороз (мал. 4.3, 2).

Фосфор сприяє роботі головного мозку, бере участь у формуванні скелета тощо. Сполуки Фосфору в значних кількостях потрібні й рослинам. Зокрема, вони сприяють швидшому дозріванню плодів і забезпечують зимостійкість рослин. Сполуки Фосфору надходять до нашого організму з молоком і молочними продуктами, рибою, яйцями та ін.

Понад 60 хімічних елементів належать до групи мікроелементів (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк тощо), адже їхній вміст становить 10-12-10-3 % маси живих істот. Серед них виділяють групу ультрамікроелементів (Плюмбум, Бром, Аргентум, Аурум та ін.), відсотковий вміст яких ще нижчий. Мікроелементи, що містяться в клітині, входять до складу органічних і неорганічних сполук або перебувають у вигляді йонів.

Хоча вміст мікроелементів в організмах незначний, їхня роль у забезпеченні нормального функціонування організмів може бути важливою. Пригадайте, Йод необхідний для того, щоб щитоподібна залоза виробляла гормони (тироксин, трийодтиронін). Недостатнє надходження Йоду в організм людини з їжею чи водою може спричинити порушення синтезу цих гормонів. Як ви пригадуєте з курсів Основи здоров’я та Біологія 9-го класу, це може призвести до важких захворювань людини, пов’язаних з порушенням обміну речовин, як-от мікседеми, кретинізму. У людей, що мешкають у місцевостях, де вода та ґрунт містять мало Йоду, часто розвивається захворювання ендемічний зоб (ендемічний у перекладі з грецької - місцевий, притаманний даній місцевості), коли розростаються тканини щитоподібної залози (мал. 4.4). При цьому виробляється менше від норми гормону тироксину. Для профілактики йододефіциту в таких місцевостях йодують сіль: до кухонної солі додають калій йодид. Багато сполук Йоду містять бурі водорості, наприклад ламінарія, або морська капуста.

Мал. 4.4. Ендемічний зоб - наслідок нестачі Йоду у воді та їжі

Мал. 4.5. Нестача Флуору спричиняє карієс - руйнування емалі зубів

Ви вже знаєте, що до складу емалі зубів входить Флуор, який надає їй міцності. Нестача цього елемента в організмі призводить до руйнування емалі зубів. Як ви пригадуєте, це захворювання називають карієсом (мал. 4.5). Тому, обираючи зубну пасту, звертайте увагу на вміст у ній Флуору і Кальцію, які зміцнюють зуби. Ці елементи є і в деяких продуктах харчування: молоці, сирах, шпинаті тощо. Цинк необхідний для утворення гормонів підшлункової залози, Бром - гормонів гіпофіза. (Пригадайте, які гормони виробляють ці залози.)

Кобальт і Купрум - необхідні для процесів кровотворення (пригадайте, до складу дихальний пігментів яких тварин входить Купрум). Кобальт входить до складу вітаміну В12 (ціанкобаламіну), нестача якого в організмі призводить до злоякісного недокрів’я (анемії). Для людини основним джерелом надходження вітаміну В12 є продукти харчування тваринного походження - печінка великої рогатої худоби, нирки, м’ясо, сир, рибні продукти тощо.

Сполуки Силіцію входять до складу опорних структур деяких організмів: клітинних стінок хвощів, панцирів діатомових водоростей, внутрішньоклітинного скелета радіолярій, скелета деяких губок тощо. Разом з тим потрапляння сполук Силіцію в органи дихання може порушити їхнє функціонування. Так, унаслідок довготривалого вдихання виробничого пилу, що містить SiO2, виникає небезпечне захворювання легень - силікоз. Тому людям, робота яких пов’язана з промисловим пилом (наприклад, шахтарям), слід захищати дихальні шляхи за допомогою марлевих пов’язок або респіраторів.

Ключові терміни та поняття. Макроелементи, мікроелементи, органогенні елементи.

Коротко про головне

• Хімічний склад живих організмів, на відміну від об’єктів неживої природи, відносно сталий. У живих організмах трапляється майже 60 хімічних елементів. Одні з них обов’язкові для усіх організмів без винятку, інші - знайдені лише в представників окремих видів.
• Залежно від вмісту в організмах хімічні елементи поділяють на макро- (вміст понад 99,9 %) та мікроелементи (менше ніж 0,1 %).
• Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген відносять до органогенних елементів, оскільки вони найчастіше трапляються у складі органічних сполук, а їхня сумарна частка становить майже 98 % хімічного вмісту живих істот.
• Понад 60 елементів належать до групи мікроелементів (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк тощо), їхній вміст у клітині становить від 10-12 % до 10-3 %.

Запитання для самоконтролю

1. На які групи поділяють хімічні елементи залежно від їхнього відсоткового вмісту у складі живих істот? 2. Які хімічні елементи відносять до макроелементів? Наведіть приклади їхніх біологічних функцій. 3. Які і чому хімічні елементи називають органогенними? 4. Які елементи відносять до мікроелементів ? Наведіть приклади, що ілюструють необхідність їхньої присутності у складі живих істот.

Поміркуйте

Про що може свідчити той факт, що в організмах живих істот не трапляються хімічні елементи, яких не знайдено в неживій природі?