В соединениях каких химических элементов содержатся минеральные соли
Для того чтобы понять, как устроены и как функционируют живые организмы, необходимо прежде всего знать, из каких веществ они построены, как эти вещества образуются и как молекулы этих веществ объединяются, чтобы образовать те или иные части живого организма. Эти вопросы изучает биохимия. Подробное изучение биохимии невозможно без знания химии, особенно органической и физической, и не входит в задачи школьного курса биологии. Мы рассмотрим здесь лишь наиболее важные группы веществ, входящих в состав живого, их функции в живых организмах и основные пути обмена этих веществ.
Клетки большинства живых организмов имеют сходный химический состав, но он существенно отличается от химического состава окружающей неживой среды. В первую очередь эти различия касаются структуры химических соединений, входящих в состав клеток. Кроме того, хотя в клетках можно обнаружить многие из 92 природных химических элементов, они представлены там в других пропорциях, чем в неживой природе.
Среди неорганического материала поверхностного слоя нашей планеты 98 % массы составляют кислород (О), кремний (Si), алюминий (Al), железо (Fe).
Однако в живой материи те же 98 % массы всех элементов составляют кислород (О), углерод (С), водород (Н), азот (N).
Сравнение состава земной коры и живых организмов приведено на рисунке.
Еще около 1,8 % составляют в сумме такие элементы. как фосфор (Р), сера (S), натрий (Na), калий (K), кальций (Ca), магний (Мg) и хлор (Сl). Все эти одиннадцать элементов относят к макроэлементам:
O, C, H, N, P, S — органогенные элементы + Na, K, Ca, Mg, Cl = макроэлементы.
Первые шесть элементов (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и сера) входят в состав органических веществ и называются органогенными элементами. Они составляют основную массу органических веществ клетки — белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот.
На долю всех макроэлементов приходится примерно 99,9 % массы тела человека.
Кроме того, два из них, водород и кислород, входят в состав воды — соединения, которое содержится в клетках в наибольшем количестве из всех (70–90 %) и без которого жизнь невозможна. Остальные макроэлементы (натрий, калий, кальций, магний, хлор) в основной своей массе находятся не в составе органических соединений, а присутствуют в организме в виде солей как в растворенном, так и в твердом состоянии.
Примерный элементный состав тела человека показан на рисунке.
Микроэлементы. Эти элементы составляют менее 0,01 % от сухой массы организмов. К этой группе элементов относят железо (Fe), цинк (Zn), медь (Сu), кобальт (Co), марганец (Mn), молибден (Mo), хром (Cr), йод (I) (йод), фтор (F). Каждый из них составляет менее сотой доли процента, а в сумме они представляют около 0,2 % массы живых клеток. Хотя содержание микроэлементов в клетке чрезвычайно мало, они необходимы для жизнедеятельности живых организмов.
Примеры функций микроэлементов
При недостаточном содержании или отсутствии этих элементов могут возникнуть тяжелые нарушения обмена веществ. Это связано с тем, что большая часть микроэлементов, в частности железо, цинк, медь, кобальт, марганец, являются кофакторами ферментов или входят в состав таких кофакторов, вследствие чего они необходимы для осуществления каталитической функции ферментов.
Например, железо является составной частью гема — органической молекулы небелковой природы, которая входит в состав цитохромов — компонентов цепи переноса электронов, и гемоглобина — белка, который обеспечивает транспорт кислорода от легких к тканям. Медь также обнаруживается в составе многих белков, среди которых важный компонент дыхательной цепи цитохромоксидаза, гемоцианин — белок, содержащийся в гемолимфе и переносящий кислород у многих моллюсков и членистоногих. Молибден вместе с железом представлен в активном центре фермента нитрогеназы, обеспечивающего фиксацию атмосферного азота у азотфиксирующих бактерий. Кобальт входит в состав витамина $B_12$ (цианокобаламин), который является коферментом белков, участвующих в синтезе гема.
Цинк обнаруживается в составе более 300 различных ферментов. Йод входит в состав гормонов щитовидной железы тироксина и трийодтиронина, поэтому нехватка йода приводит к возникновению заболеваний, связанных с недостаточностью этого гормона, таких как эндемичный зоб у взрослых и кретинизм у детей.
Ультрамикроэлементы. В состав этой группы входят элементы, содержание которых в организме крайне мало — менее $10^{-6}$% от сухой массы (иногда менее $10^{-12}$ %), но которые существенны для жизни. К этим элементам относятся селен (Se), бор (B), ванадий (V) и некоторые другие. Некоторые элементы этой группы, как и микроэлементы, входят в состав ферментов и существенны для проявления их активности. В частности, селен обнаружен в составе глутатионредуктазы — фермента, от которого зависит окислительно-восстановительные процессы в клетке.
Неорганические вещества
Хотя основу живых организмов составляют органические соединения, в ней также встречаются соединения, которые присутствуют в неживой природе. Из всех органических и неорганических веществ живые организмы в наибольшем количестве содержат воду. Ее содержание колеблется от 60 до 95 %. Оно зависит от вида и возраста организма, может быть различным в разных частях организма. Например, семена растений содержат лишь 10–15 % воды. В сердце человека вода составляет около 80 %, а медуза на 95 % состоит из воды. Вода важна для всех живых организмов по двум причинам. Во-первых, составляя основную массу организма, она является той средой, в которой существуют все другие компоненты живого. Во-вторых, вода участвует во многих биохимических реакциях, приводящих к образованию или распаду многих органических соединений. Кроме того, для многих организмов вода является средой обитания.
физико-химические свойства воды
Вода — полярная молекула: так как кислород более электроотрицателен, чем водород, и стягивает на себя электронную плотность, на атоме О имеется частичный отрицательный (δ–), а на атомах Н — частичный положительный (δ+) заряд.
Между О одной молекулы воды и Н другой молекулы воды возникает водородная связь. В жидкой воде водородные связи образуются между всеми молекулами, однако молекулы перемещаются, что может сопровождаться разрывом водородных связей и образованием новых.
Когда вода кипит, все водородные связи между молекулами воды должны быть разорваны, чтобы молекулы по отдельности «улетали» в пар. На разрыв водородных связей тратится энергия. Поэтому по сравнению с неполярными веществами примерно той же молекулярной массы, например метаном $CH_4$, вода имеет высокую температуру плавления и кипения, высокую теплоемкость.
Эти свойства важны для живых систем: благодаря высокой теплоемкости воды живые организмы, а также водоемы медленно нагреваются и медленно остывают, а внутри них тепло успевает равномерно распределяться по всему объему (все части нашего тела имеют близкую температуру).
В структуре льда молекулы воды также связаны водородными связями. Лед легче воды и плавает над ее поверхностью. Это защищает водоемы от полного промерзания зимой, так что организмы могут выживать подо льдом.
гидрофильность и гидрофобность
Вода играет в живых системах роль универсального растворителя. По принципу «подобное растворяется в подобном» в ней растворяются вещества полярной или ионной природы, так как частицы этих веществ содержат частичные или полные заряды и могут взаимодействовать с молекулами воды. Например, к ионам притягиваются противоположно заряженные части молекул воды, в результате чего ион гидратируется, приобретая гидратную оболочку — оболочку из молекул воды (см. рис.). Полярные молекулы, такие как этиловый спирт, тоже образуют водородные связи и гидратируются. На рисунке показано растворение поваренной соли NaCl в воде и гидратация соответствующих ионов.
Если полярные или ионные вещества не растворяются в воде, они ею тем не менее смачиваются (идет взаимодействие воды с поверхностью). Растворяющиеся в воде или смачиваемые ею вещества называются гидрофильными. Примеры гидрофильных веществ — соли, этанол, соляная и уксусная кислоты, сахары, растворимые белки и др.
Вещества, молекулы которых неполярны, плохо растворяются в воде и не смачиваются ею. Их молекулы не способны взаимодействовать с молекулами воды и образовывать водородные связи. Нахождение их молекул среди молекул воды энергетически невыгодно. Они как бы стремятся минимизировать площадь поверхности контакта с водой, то есть «избегают воды» — это гидрофобные вещества (от греч. «гидрос» — вода, «фобео» — боюсь). Эти вещества обычно образуют в воде отдельную фазу — взвесь капелек (эмульсию, например, молочный жир в молоке) или отдельный слой, который в зависимости от плотности тонет (например, фенол) или всплывает (например, растительное масло или бензин) в воде.
Поскольку разность электроотрицательностей углерода и водорода низка, к гидрофобным веществам относятся углеводороды — органические молекулы, построенные только из атомов С и Н, например парафин, бензин, керосин (это смеси природных углеводородов нефти).
Схема расслаивания эмульсии масла в воде приведена на рисунке.
ионы
Неорганические вещества в живых клетках помимо воды представлены в основном в виде растворенных солей. Их содержание в живых организмах составляет около 1 %. В наибольших количествах присутствуют катионы $mathrm{Na^+, K^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}}$ и анионы хлорид $Cl^-$, фосфаты $mathrm{PO_4^{2-}}$, карбонаты $mathrm{CO_3^{2-}}$. Важно отметить, что содержание ионов в клетке и окружающей ее среде значительно различаются. Так, в клетках всегда значительно выше содержание калия, магния и ниже содержание натрия и кальция. Это обеспечивается активным переносом этих ионов через клеточную мембрану, который осуществляется специальными белками — ионными насосами. Многие катионы, особенно $mathrm{Mg^{2+}}$, находятся в клетке не в свободном состоянии, а в виде солей нуклеиновых кислот и нуклеотидов. Анионы фосфорной и угольной кислоты играют в живых организмах важную роль буферных систем, поддерживающих постоянное значение кислотности (концентрации ионов водорода $H^+$) в цитоплазме и внеклеточных жидкостях организма.
Определение
Кислотность — это концентрация ионов водорода ($H^+$). Чем больше ионов водорода, тем больше кислотность (тем более кислой считается среда).
Показателем кислотности является рН. рН чистой воды равен 7, кислых сред — меньше 7, щелочных — больше 7. Чем больше кислотность среды, тем больше в ней ионов $H^+$ и тем меньше рН. рН можно измерить при помощи индикаторной бумаги (на рисунке) или специального прибора — рН-метра.
Другие неорганические вещества образуют комплексы с белками, например входят в состав ферментов, играя важную роль в процессах катализа. В такой форме участвуют в жизнедеятельности клеток соединения железа, серы, марганца, меди, цинка, кальция, кобальта и др. Некоторые неорганические компоненты входят в состав важных органических веществ, например магний — в состав хлорофилла, а йод — в состав гормонов щитовидной железы. Особо следует отметить остатки фосфорной кислоты, входящие в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот и играющие важную роль в энергетических и генетических процессов в клетке.
Неорганические вещества содержатся в некоторых живых организмах в виде нерастворимых твердых веществ. Это прежде всего скелетные образования: кости позвоночных, состоящие в основном из фосфата кальция, раковины моллюсков и фораминифер, построенные из углекислого кальция, панцири диатомовых водорослей, образованные из окиси кремния. Кроме того, неорганические соли, главным образом кальциевые, входят в качестве компонентов, повышающих прочность и жесткость, в ряд структурных образований, построенных в основном из органических веществ, например в хитиновые покровы членистоногих, в межклеточное вещество растений.
Источник
Минеральные соли нужны нашему организму так же, как и белки, углеводы, жиры и вода. Почти вся периодическая система Менделеева представлена в клетках нашего организма, однако роль и значение некоторых элементов в обмене веществ до сих пор еще полностью не изучены. Что касается минеральных солей и воды, то известно, что они являются важными участниками процесса обмена веществ в клетке.
Они входят в состав клетки, без них нарушается обмен веществ. И так как в нашем организме нет больших запасов солей, необходимо обеспечить их регулярное поступление. В этом нам и помогают пищевые продукты, содержащие большой набор минеральных веществ.
Минеральные соли – это необходимые компоненты здоровой жизни человека. Они активно участвуют не только в процессе обмена веществ, но и в электрохимических процессах нервной системы мышечной ткани. Также они необходимы при формировании таких структур, как скелет и зубы. Некоторые минералы играют также роль катализатора во многих биохимических реакциях нашего организма.
Минералы подразделяются на две группы:
- те, которые необходимы организму в относительно больших количествах. Это макроэлементы;
- те, которые необходимы в малых количествах. Это микроэлементы.
Все они не только действуют в качестве катализаторов, но и активизируют работу ферментов в ходе химических реакций. Поэтому микроэлементы, даже если они действуют в бесконечно малых количествах, необходимы организму так же, как и макроэлементы. В настоящее время ученые еще не пришли к единому мнению, в каких количествах микроэлементы должны поступать в организм, чтобы это считалось идеальным. Достаточно сказать, что отсутствие микроэлементов может привести к различным заболеваниям.
Больше других солей мы употребляем поваренную соль, которая состоит из натрия и хлора. Натрий участвует в регулировании количества воды в организме, а хлор, соединяясь с водородом, образует соляную кислоту желудочного сока, который очень важен в пищеварении.
Недостаточное потребление поваренной соли приводит к усиленному выделению воды из организма и недостаточному образованию соляной кислоты желудочного сока. Излишек же поваренной соли ведет к задержке воды в организме, что способствует появлению отеков. Вместе с калием натрий оказывает влияние на функции головного мозга и нервов.
Калий – это один из важнейших элементов, содержащихся в клетке. Он необходим для поддержания возбудимости нервной и мышечной тканей. Без калия невозможно обеспечить снабжение головного мозга глюкозой. Дефицит калия отрицательно сказывается на готовности мозга к работе. У человека ослабевает способность к концентрации и даже могут появиться рвота и понос.
Соли калия в достаточных количествах содержатся в картофеле, бобовых культурах, капусте и многих других овощах. Включая в рацион питания рыбу, мясо и птицу, вы получаете необходимое количество этого элемента. Потребность в калии составляет около 4 граммов в день, что можно восполнить, выпив стакан бананового молока, например, или съев порцию овощного салата.
Соли кальция необходимы для стабилизации клеточных мембран клеток головного мозга и нервных клеток, а также для нормального развития костной ткани. Кальциевый обмен в организме регулируется витамином D и гормонами. Недостаток кальция в организме, так же, как и его избыток, может иметь весьма вредные последствия.
Опасность появления кальцийсодержащих камней в почках можно предупредить, если пить в достаточном количестве минеральную воду. Кальций в высоких концентрациях и в хорошем соотношении с фосфором (примерно от 1:1 до 2:1) содержится в молоке и молочных продуктах, за исключением мороженого, творога, а также молодого, мягкого и плавленого сыра.
Соотношение солей кальция и калия важно для нормальной деятельности сердечной мышцы. При их отсутствии или недостатке сердечная деятельность замедляется, а вскоре полностью прекращается.
Фосфор отвечает за производство энергии из питательных веществ. Взаимодействуя с витамином D и кальцием, он обеспечивает организм теплом и энергией для поддержания всех его функций, в том числе и функций головного мозга и нервов. Лидерами по содержанию фосфора являются молоко и молочные продукты. Суточная потребность в фосфоре составляет от 800 до 1000 миллиграммов.
Недостаточное снабжение организма фосфором практически исключено. При составлении своего рациона питания постарайтесь, чтобы не возникало дефицита фосфора, но и не допускайте его излишка, который отрицательно сказывается на снабжении организма кальцием. Постарайтесь придерживаться благоприятного для организма соотношения фосфора и кальция от 1:1 до 2:1, и вам не придется следить за тем, чтобы употреблять продукты с низким содержанием фосфора.
Магний является одним из важных минеральных веществ для нашего организма. Поступление солей магния просто необходимо для всех клеток. Он играет решающую роль в белковом, жировом и углеводном обменах и отвечает за все важные функции организма. Этот элемент, благодаря которому осуществляется проводимость по волокнам нервной системы, регулирует просвет кровеносных сосудов, а также работу кишечника. Исследования последних лет показали, что магний защищает организм от негативных воздействий стресса, стабилизируя клеточные мембраны нервных клеток.
При недостатке магния возможны тяжелые расстройства во всех сферах организма, например, ослабление памяти и способности к концентрации внимания, а также сильная нервозность и раздражительность. Переизбытка магния в организме, как правило, не бывает, так как наш организм сам выделяет его через почки, кишечник и кожу.
Железо входит в состав гемоглобина – вещества, которое переносит кислород из легких к клеткам и тканям. Поэтому можно смело сказать, что железо – едва ли не самый важный элемент для организма человека. При недостаточном обеспечении организма железом появляются различные недомогания, связанные с недостатком кислорода.
Особенно страдает от этого головной мозг – главный потребитель кислорода, который мгновенно теряет трудоспособность. Правда, надо отметить, что наш организм очень бережно расходует запасы железа, и его содержание обычно резко снижается только из-за потери крови.
Фтор входит в состав зубной эмали, поэтому у людей, живущих в местностях, где питьевая вода бедна этим элементом, чаще портятся зубы. Сейчас на помощь в таких случаях приходят современные зубные пасты.
Йод также является жизненно необходимым элементом. Он участвует в синтезе гормонов щитовидной железы. При дефиците йода постепенно развиваются патологии щитовидной железы («зоб»). Большое количество йода содержится в морепродуктах как животного, так и растительного происхождения.
Медь и ее соли участвуют в процессах кроветворения. Медь «работает» в тесном сотрудничестве с железом и витамином С, снабжая организм кислородом и питая нервные оболочки. При дефиците этого элемента в организме железо плохо используется по своему прямому назначению, развивается малокровие. Недостаток меди может вызвать и психические расстройства.
Хром играет важную роль регулятора инсулина в его функции управления уровнем сахара в крови. Если хрома недостаточно, содержание сахара в крови повышается, что может привести к заболеванию диабетом. Хром стимулирует активность ферментов, которые участвуют в процессе обмена глюкозы и в синтезе жирных кислот и протеинов. Недостаток хрома может быть причиной повышения уровня холестерина в крови, что создает опасность инсульта.
Составной частью более чем 150 ферментов и гормонов является цинк, обеспечивающий белковый и жировой обмен. Исследования последних лет позволяют предполагать, что цинк играет важную роль в процессах обучения, т.к. он управляет биохимическими связями между клетками головного мозга. Многие специалисты полагают, что недостаток цинка влияет на нервную систему, из-за этого наступают состояния страха, депрессивные расстройства, бессвязность мыслей, нарушается речь, а также возникают трудности при ходьбе и движении.
Поскольку цинк, как и медь, встречается во многих продуктах питания, опасность его дефицита очень мала. При правильном здоровом питании, предполагающем употребление мяса, рыбы, яиц, молочных продуктов, овощей и фруктов, организм получает достаточное количество этого элемента. Суточная потребность в цинке составляет 15 микрограммов.
Кобальт – еще один элемент, который отвечает за снабжение головного мозга кислородом. Кобальт придает витамину В12 особое качество: единственный из витаминов он имеет в своей молекуле атом металла – и как раз посередине. Вместе со своим витамином В12 кобальт участвует в производстве красных кровяных телец и тем самым снабжает мозг кислородом. И если организму не хватает витамина В12, значит, он испытывает дефицит кобальта, и наоборот.
Блюдо, которое я сегодня прелагаю вам, обеспечит организм не только кобальтом, но и всеми другими минеральными солями, углеводами, достаточным количеством протеина и жиров.
Печень телячья по–провансальски
Подготовьте 4 порции телячьей печени, 1 большую луковицу, несколько зубчиков чеснока, половину пучка зелени петрушки. Нам понадобятся также ½ чайной ложки ароматических молотых пряностей, щепотка сушеного тимьяна, 1 столовая ложка муки, 1 чайная ложка молотого сладкого красного перца, 1 столовая ложка растительного масла, 1 столовая ложка маргарина, соль и перец по вкусу.
Репчатый лук и чеснок очень мелко порубить, петрушку мелко нарезать и смешать с луком, чесноком, тимьяном и пряностями. Смешать муку и сладкий молотый перец и обвалять в этой смеси печень. Растительное масло вместе с маргарином разогреть на сковороде и на среднем огне около 3 минут обжаривать печень с обеих сторон. Куски печени должны быть толщиной 1 см.
Затем печень посолить, поперчить и выложить на нагретое блюдо. В оставшийся на сковороде жир высыпать подготовленную ранее смесь. Потушить эту смесь в течение 1 минуты и посыпать ею печень.
Подавать к столу с запеченными помидорами, жареным картофелем или салатом.
Источник