Химические элементы в живых организмах

Химические элементы в живой материи

В состав веществ, участвующих в реакциях, связанных с жизнедеятельностью живой материи, входят почти все элементы Периодической системы Д.И. Менделеева.

Химические элементы, обозначенные в таблице Менделеева, встречаются как в неживой, так и в живой природе. Все они присутствуют в составе атмосферы, гидросферы и литосферы нашей планеты. Практически все атомы верхних оболочек Земли в результате биологического круговорота веществ за миллиарды лет неоднократно побывали в составе молекул живых организмов. Особенно это касается атомов таких элементов, как кислород, углерод, азот и водород. В клетках живых организмов обнаружено 86 постоянно присутствующих элементов. Все они широко распространены в природе. Но их относительное содержание в живых клетках существенно отличается от их присутствия в оболочках Земли. Заметное отличие состава химических элементов живых клеток от состава элементов земной коры свидетельствует о своеобразии живых систем, их способности получать из внешней среды нужные для жизни элементы. Все элементы организмы получают путем питания.

Соотношение количества биогенных химических элементов в живых клетках и в земной коре

Поступление большинства химических элементов в организм животных идет по цепям питания от растений, которые всасывают растворы минеральных солей из почвы. Было подмечено, что многие животные (особенно крупные травоядные) при миграциях постоянно посещают одни и те же места, где на поверхности земли имеются выходы солей кальция, натрия, калия, соединений серы. Животные лижут эту землю и таким образом восполняют нехватку данных элементов в своем организме.

Химические элементы и их соединения, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах, называют макроэлементами, а в крайне малых – микроэлементами. Из макроэлементов образованы все основные компоненты клетки. Почти 98 % массы клетки приходится на долю четырех основных элементов. Это кислород (65–70 %), углерод (15–18 %), водород (8–10 %) и азот (1,5–3,0 %). К числу микроэлементов относят преимущественно атомы металлов, входящих в состав гормонов, ферментов, витаминов и других биологически активных соединений. Те и другие играют важную роль в обменных процессах клеток и являются жизненно необходимыми компонентами живых организмов.

Химические элементы, входящие в клетку и выполняющие в ней важные биологические функции, называют биогенными.

Макроэлементы клетки

В первую очередь к биогенным относятся углерод, кислород, водород и азот. Их называют органогенными элементами, так как они составляют основную массу органических веществ клетки. Особенно значимым в клетке является углерод. Это основной элемент, образующий все органические соединения. Благодаря уникальному свойству углеродных атомов возможно образование таких сложных и разнообразных соединений, как органические вещества. Это свойство обусловлено тем, что атомы углерода, имеющие четыре валентные связи, способны в определенном порядке объединяться в длинные цепи и замкнутые кольцевые структуры, служащие «скелетами» сложных органических молекул. Значение других макроэлементов представлено ниже.

Участие химических элементов в процессах жизнедеятельности

Азот (N). Входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, нуклеотидов и многих других жизненно важных органических соединений.

Калий (K). Преобладающий внутриклеточный положительный ион. Один из основных (около 20 %) компонентов коллоидов цитоплазмы, регулирует ее водоудерживающую способность, входит в состав более 60 ферментов, необходим в процессах включения фосфата в органические соединения. Часть калия связана с белками митохондрий и хлоропластов и стабилизирует структуру этих органоидов.

Кальций (Ca). В больших количествах связывается с элементами клеточной стенки растительных клеток, участвует в процессах структурирования и функционирования цитоскелета, обеспечивает волновой способ передачи сигналов в клетке. Участвует в мышечном сокращении и других двигательных функциях, в свертывании крови и формировании костей.

Сера (S). Входит в состав многих аминокислот, липидов, кофермента A и ряда витаминов; поддерживает определенную величину окислительно-восстановительного потенциала клетки. У растений участвует в синтезе белков, фотосинтезе; влияет на скорость ростовых процессов.

Фосфор (P). Входит в состав нуклеиновых кислот, белков, фосфолипидов, нуклеотидов и других соединений, обусловливает гидрофильность фосфолипидов клеточной мембраны. Играет важную роль в энергетическом обмене клетки, так как энергия запасается в форме макроэргических эфирных связей молекул АТФ. В клетке присутствует в органической форме и в виде ортофосфорной кислоты, ее солей и остатков – фосфатов.

Магний (Mg). Важнейший компонент молекул хлорофиллов. Участвует в поддержании целостности и функциональной активности рибосом, поддерживает нормальную работу митохондрий.

Натрий (Na). Основной внеклеточный положительный ион. Участвует в поддержании мембранного потенциала клетки, генерации нервного импульса, в процессах осморегуляции (в том числе работе почек у человека), создании буферной системы крови. Обеспечивает щелочную реакцию вырабатываемого поджелудочной железой панкреатического секрета, чем способствует процессу пищеварения.

Хлор (Cl). Преобладающий отрицательный ион. Поддерживает электронейтральность клетки. Незаменимый элемент, постоянно присутствующий в растительных и животных тканях. Входит в состав кожи, желудочного сока, крови, костей, спинномозговой и межклеточной жидкости. Участвует в поддержании осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Стимулирует активность амилазы – фермента, способствующего расщеплению и усвоению углеводов.

Железо (Fe). Входит в состав гемоглобинов – железосодержащих пигментов крови и гемолимфы, некоторых ферментов (каталазы, пероксидазы), цитохромов, принимает участие в функционировании основных компонентов электрон-транспортных цепей дыхания и фотосинтеза. По значению в клетке железо часто относят к микроэлементам.

Микроэлементы клетки

В их число входят металлы и неметаллы: медь, бор, молибден, марганец, селен, цинк, фтор и др. Они содержатся в клетках в очень малых количествах (от 0,001 до 0,000 001 %), но выполняют жизненно важные функции. Элементы, присутствующие в клетке в следовых концентрациях (менее 0,000 001 % на сухую массу), называют ультрамикроэлементами. Таких элементов в клетке насчитывается около 70. Это кобальт, золото, алюминий, стронций, никель, барий и др.

Участие микроэлементов в обменных процессах живых существ было открыто сравнительно недавно. Оказалось, что их роль в физико-химических процессах чрезвычайно важна, поскольку они участвуют практически во всех обменных процессах.

В земной коре встречается около 100 различных химических элементов. Многие из них входят в состав живых организмов, чем подтверждается тесная связь живой материи и окружающей среды на нашей планете. Однако при этом каждая живая клетка имеет свой ограниченный набор химических элементов. Все элементы, входящие в клетку, выполняют в ней те или иные функции, обеспечивающие ее нормальное существование.