§ 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы

Биология, 10 класс (Лисов, 2014)

[ Содержание ]

В живых организмах обнаружено более 70 химических элементов. Они являются составной частью определенных веществ, образующих структуры организма и участвующих в химических реакциях. Одних химических элементов в организмах содержится больше, других меньше, третьи присутствуют в ничтожных количествах.

Макроэлементы. Химические элементы, содержание которых в живых организмах составляет от десятков до сотых долей процента, называются макроэлементами. Живые организмы более чем на 98 % состоят из четырех химических элементов: кислорода (О), углерода (С), водорода (Н) и азота (N). Водород и кислород — составные элементы воды. Наряду с углеродом и азотом эти элементы являются основными составляющими органических соединений живых организмов.

В состав молекул многих органических веществ также входят сера (S) и фосфор (Р). Кроме того, к макроэлементам относятся натрий (Na), калий (К), магний (Mg), кальций (Са), хлор (С1) и др.

Важнейшим макроэлементом для организма человека является кальций. Его соединения, в частности ортофосфат, составляют минеральную основу костей и зубов. Другие соединения кальция участвуют в нервной и мышечной деятельности, входят в состав клеток и тканевой жидкости организма. Суточная потребность взрослого человека в кальции составляет от 0,8 до 2 г. Основные источники этого элемента — молоко, кефир, творог, сыр, рыба, фасоль, петрушка, зеленый лук, а также яйца, гречка, овсянка, морковь и горох.

Однако в пище могут также содержаться вещества, препятствующие усвоению кальция, например щавелевая кислота и фитин. Со щавелевой кислотой кальций образует малорастворимую соль, фитин тоже довольно прочно удерживает кальций. Поэтому важно не злоупотреблять блюдами из щавеля и шпината, в листьях которых содержится 0,1 —0,5 % щавелевой кислоты. Фитин, присутствующий в овощах и злаках, разрушается при нагревании, поэтому менее вреден. Ржаной хлеб полезнее пшеничного — в нем меньше фитина.

Микроэлементы. Жизненно важные элементы, которые содержатся в живых организмах в исключительно малых количествах (менее 0,01 %) составляют группу микроэлементов. К этой группе относятся некоторые металлы, например железо (Fe), цинк (Zn), медь (Си), марганец (Мп), кобальт (Со), молибден (Мо), а также неметаллы фтор (F), йод (I) и др.

Процентное содержание того или иного элемента не характеризует степень его важности в организме. Например, йод, содержание которого в норме в организме человека не превышает 0,0001 %, входит в состав гормонов щитовидной железы тироксина и т р и й о д т и р о н и н а. Эти гормоны регулируют обмен веществ, влияют на рост, развитие и дифференцировку тканей, на деятельность нервной системы.

Железо и медь входят в состав ферментов, участвующих в клеточном дыхании. Вместе с кобальтом они играют важную роль в процессах кроветворения. Цинк и марганец оказывают влияние на рост и развитие организмов. Фтор входит в состав костной ткани и эмали зубов. Более подробная информация о содержании и биологической роли химических элементов в живых организмах приведена в таблице 1.

Таблица 1. Биологически важные химические элементы

Элемент

Содержание, %

Биологическая роль

Макроэлементы

Кислород(О)

65 — 75

Входит в состав молекул воды и органических веществ, обеспечивает реакции окисления, в ходе которых выделяется необходимая организму энергия

Углерод(С)

15—18

Входит в состав молекул всех органических веществ

Водород (Н)

8—10

Входит в состав молекул воды и всех органических веществ

Азот(N)

1,5 — 3

Входит в состав молекул органических веществ, в том числе белков, нуклеиновых кислот, АТФ

Кальций(Са)

0,04—2

Входит в состав костной ткани, зубной эмали, участвует в процессах свертывания крови и обеспечивает сократимость мышечных волокон. У растений входит в состав клеточной стенки

Фосфор (Р)

0,2—1

Входит в состав органических веществ (ДНК, РНК, АТФ и др.), костной ткани и зубной эмали

Калий(К)

0,15 — 0,4

Один из основных катионов в организме животных: участвует в генерации биоэлектрических потенциалов, регуляции ритма сердечной деятельности. Также участвует в процессе фотосинтеза

Сера (S)

0,15 — 0,2

Входит в состав органических веществ (белков, некоторых аминокислот)

Хлор (С1)

0,05 — 0,1

Основной анион в организме животных. Входит в состав соляной кислоты желудочного сока

Натрий (Na)

0,02 — 0,03

Один из основных катионов: участвует в генерации биоэлектрических потенциалов, поддерживает нормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов

Магний (Mg)

0,02 — 0,03

Входит в состав хлорофилла, некоторых ферментов, а также в состав костной ткани и зубной эмали

Элемент

Содержание, %

Биологическая роль

Микроэлементы

Железо (Fe)

0,01

Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина. Участвует в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза

Кремний (Si)*

0,001

Участвует в формировании костей и коллагена — основного белка соединительной ткани животных. Входит в состав клеточной оболочки растений

U,iiHK(Zn)

0,0003

Входит в состав инсулина, некоторых ферментов, принимает участие в процессах синтеза растительных гормонов

Медь (Си)

0,0002

Участвует в процессах фотосинтеза, клеточного дыхания, синтеза гемоглобина. Входит в состав гемоцианинов — дыхательных пигментов крови и гемолимфы некоторых видов беспозвоночных животных

Фтор (F)

0,0001

Входит в состав зубной эмали и костной ткани

Йод(1)

0,0001

Входит в состав гормонов щитовидной железы

Марганец (Мп)

менее 0,0001

Входит в состав или повышает активность некоторых ферментов. Участвует в формировании костей, в процессе фотосинтеза

Кобальт (Со)

менее 0,0001

Входит в состав витамина В12, участвует в процессах кроветворения

Молибден (Мо)

менее 0,0001

Участвует в процессах связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями

* Для растений — макроэлемент

Для человека источниками макро- и микроэлементов являются продукты питания и вода. Поэтому для полного удовлетворения потребностей в макро- и микроэлементах необходимо полноценное и разнообразное питание, включающее продукты животного и растительного происхождения. Для Беларуси и некоторых других регионов Земли характерен недостаток йода и фтора в природной воде. Поэтому очень важно чаще употреблять в пищу морепродукты, а также восполнять этот недостаток употреблением фторированной и йодированной поваренной соли, производство и продажа которой налажены в нашей стране.

1.  В какой группе все элементы относятся к макроэлементам? К микроэлементам?

а ) Железо, сера, кобальт;  в ) натрий, кислород, йод;

б ) фосфор, магний, азот;  г) фтор, медь, марганец.

2.  Какие химические элементы называются макроэлементами? Перечислите их. Каково значение макроэлементов в живых организмах?

3.  Какие элементы называются микроэлементами? Приведите примеры. В чем заключается роль микроэлементов для жизнедеятельности организмов?

4.  Установите соответствие между химическим элементом и его биологической функцией:

1) кальций

2  ) магний

3  ) кобальт

4  ) йод 5) цинк 6 ) медь

а) участвует в синтезе гормонов растений, входит в состав инсулина, б ) входит в состав гормонов щитовидной железы.

в)  является компонентом хлорофилла.

г)  входит в состав гемоцианинов некоторых беспозвоночных животных.

д)  необходим для мышечного сокращения и свертывания крови, е ) входит в состав витамина В12.

5.  На основании материала о биологической роли макро- и микроэлементов и знаний, полученных при изучении организма человека в 9-м классе, объясните, к каким последствиям может привести недостаток тех или иных химических элементов в организме человека.

6.  В таблице указано содержание основных химических элементов в земной коре (по массе, в %). Сравните состав земной коры и живых организмов. В чем заключаются особенности элементарного состава живых организмов? Какие факты позволяют сделать вывод о единстве живой и неживой природы?

Элемент

Содержание, %

Элемент

Содержание, %

Элемент

Содержание, %

Кислород

49,13

Натрий

2,4

Углерод

0,35

Кремний

26

Магний

2,35

Хлор

0,2

Алюминий

7,45

Калий

2,35

Фосфор

0,125

Железо

4,2

Водород

1

Сера

0,1

Кальций

3,25

Титан

0,61

Азот

0,04