§ 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Биология. 11 класс |
| Книга: | § 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Четверг, 21 Ноябрь 2024, 20:35 |
Живые организмы имеют особый химический состав, отличающий их от объектов неживой природы. Это проявляется, прежде всего, в различиях строения и количественного соотношения химических веществ. Однако вещества, входящие в состав организмов, образованы атомами тех же химических элементов, из которых состоят объекты неживой природы. В живых организмах массовая доля одних элементов достигает 10 % и более, других содержится меньше, а некоторые присутствуют в исключительно малых количествах.
Макроэлементы. Химические элементы, содержание которых в живых организмах составляет более 0,01 %, называются макроэлементами. В живой природе наиболее распространены четыре макроэлемента: кислород (О), углерод (С), водород (Н) и азот (N). Их суммарная массовая доля превышает 98 %. Эти элементы являются основой строения органических соединений. Помимо этого, водород и кислород входят в состав воды.
Молекулы многих органических веществ также содержат атомы серы (S) и фосфора (Р). Кроме того, к макроэлементам относятся натрий (Na), калий (K), магний (Mg), кальций (Ca) и хлор (Cl).
У человека ключевую роль в осуществлении таких процессов как свертывание крови, сокращение мышц, проведение нервных импульсов и многих других, играет кальций. Совместно с фосфором этот макроэлемент обеспечивает нормальное развитие и функционирование костей и зубов. В организме взрослого человека содержится приблизительно 1,7 кг кальция, причем около 99 % — в костной ткани.
*Содержание кальция в организме регулируется рядом гормонов, причем ведущую роль играют гормоны паращитовидных и щитовидной желез.* Потребность в кальции зависит от возраста человека. Так, для взрослых людей и детей в возрасте от 4 до 8 лет она составляет 800—1000 мг в сутки, а для подростков — 1300 мг (подумайте почему). Довольно много кальция содержится в молочных продуктах, зерновых, бобовых, орехах, капусте. Усвоению этого важного элемента способствуют витамин D (вспомните его основные источники), молочный сахар — лактоза, а также ненасыщенные жирные кислоты, которыми богаты растительные масла, рыба, авокадо и др.
Более подробная информация о содержании макроэлементов в живых организмах и их биологической роли приведена в таблице 1.1.
Таблица 1.1. Макроэлементы
|
Элемент |
Содержание, %1 |
Биологическая роль |
|
Кислород (О) |
65—75 |
Входит в состав большинства органических и многих неорганических веществ. Обеспечивает клеточное дыхание и другие окислительные процессы, в ходе которых выделяется необходимая организму энергия |
|
Углерод (С) |
15—18 |
Является основой строения всех органических веществ |
|
Водород (Н) |
8—10 |
Входит в состав воды и всех органических веществ |
|
Азот (N) |
1,5—3 |
Входит в состав многих органических веществ, в том числе белков, нуклеиновых кислот, АТФ |
|
Кальций (Ca) |
0,04—2 |
Является важнейшим компонентом костной ткани и эмали зубов, обеспечивает сокращение мышц, участвует в свертывании крови. У растений входит в состав клеточной стенки |
|
Фосфор (Р) |
0,2—1 |
Входит в состав некоторых органических веществ (ДНК, РНК, АТФ, фосфолипидов и др.), костной ткани и эмали зубов |
|
Калий (К) |
0,15—0,4 |
Участвует в генерации нервных импульсов, регулирует ритм сердечной деятельности. Также участвует в процессе фотосинтеза |
|
Сера (S) |
0,15—0,2 |
Входит в состав некоторых органических веществ, например белков, *витамина В1*. Участвует в формировании пространственной структуры белковых молекул |
|
Хлор (Cl) |
0,05—0,1 |
Играет важную роль в водно-солевом обмене живых организмов. Входит в состав желудочного сока животных |
|
Натрий (Na) |
0,02—0,03 |
Участвует в генерации нервных импульсов, поддерживает нормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов. Играет важную роль в водно-солевом обмене живых организмов |
|
Магний (Mg) |
0,02—0,03 |
Входит в состав хлорофилла, многих ферментов, а также в состав костной ткани и эмали зубов |
|
1 Содержание химических элементов приведено не для запоминания |
||
Микроэлементы. Химические элементы, массовая доля которых в живых организмах не превышает 0,01 %, относятся к микроэлементам. В состав этой группы входят такие металлы, как железо (Fe), цинк (Zn), медь (Сu), марганец (Мn), кобальт (Со), а также неметаллы фтор (F), йод (I) и др.
Микроэлементы необходимы живым организмам для осуществления важнейших биохимических и физиологических процессов. Они входят в состав многих ферментов, некоторых гормонов, витаминов и других биологически активных веществ. Например, железо и медь входят в состав ферментов, обеспечивающих клеточное дыхание, а кобальт — в состав витамина В12. Структурным компонентом гормона инсулина является цинк. Молекулы трийодтиронина и тироксина (важнейших гормонов щитовидной железы, регулирующих обмен веществ, рост и развитие организма) содержат атомы йода.
В организме взрослого человека содержится около 20 мг йода, из них не менее 60 % сосредоточено в щитовидной железе. Суточная потребность в йоде определяется возрастом человека, его физиологическим состоянием, массой тела и другими факторами. Для здорового взрослого человека она составляет 0,15 мг.
Интересно, что целебные свойства йода были известны за несколько тысяч лет до того, как был открыт этот химический элемент. В китайском кодексе 1567 г. до н. э. содержались рекомендации по применению морских водорослей, содержание йода в которых может достигать 1 %, для лечения заболеваний щитовидной железы.
Степень важности того или иного химического элемента для организма не определяется его массовой долей. Так, медь, содержание которой в живых организмах обычно не превышает 0,0002 %, и кобальт, массовая доля которого составляет менее 0,0001 %, абсолютно необходимы для процессов кроветворения у животных и синтеза хлорофилла у растений.
Информация о содержании биологически важных микроэлементов в живых организмах и их функциях представлена в таблице 1.2.
Таблица 1.2. Биологически важные микроэлементы
|
Элемент |
Содержание, %1 |
Биологическая роль |
|
Железо (Fe) |
0,01 |
Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина. Участвует в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза |
| *Хром (Cr) | 0,0001—0,005 | Участвует в регуляции сердечной деятельности и уровня глюкозы в крови, обеспечивает нормальное функционирование кровеносных сосудов* |
| *Кремний (Si) | 0,001 | Участвует в формировании костей и коллагена — основного белка соединительной ткани животных. Для растений является макроэлементом (содержание в растениях составляет 0,02–0,15 %), входит в состав клеточной стенки* |
|
*Бор (В) |
0,0001—0,001 |
Регулирует обмен углеводов и жиров, влияет на активность ряда ферментов. У растений стимулирует деление клеток и развитие плодов, входит в состав клеточной стенки* |
|
Цинк (Zn) |
0,0003—0,0005 |
Входит в состав инсулина и многих ферментов. Принимает участие в процессах синтеза гормонов растений |
|
Медь (Cu) |
0,0002 |
Участвует в процессах фотосинтеза и клеточного дыхания, необходима для синтеза хлорофилла и гемоглобина. Входит в состав гемоцианинов — дыхательных пигментов крови и гемолимфы некоторых беспозвоночных животных |
|
Фтор (F) |
0,0001 |
Входит в состав костной ткани и эмали зубов |
|
Йод (I) |
0,0001 |
Входит в состав гормонов щитовидной железы |
|
Марганец (Mn) |
менее 0,0001 |
Входит в состав или повышает активность ряда ферментов. Участвует в процессе фотосинтеза |
|
Кобальт (Co) |
менее 0,0001 |
Входит в состав витамина B12, участвует в процессах кроветворения. Необходим для синтеза хлорофилла |
|
*Молибден (Mo) |
менее 0,0001 |
Входит в состав некоторых ферментов, обеспечивает фиксацию атмосферного азота клубеньковыми бактериями* |
|
*Селен (Se) |
менее 0,0001 |
Регулирует обмен белков, нуклеиновых кислот и других органических веществ, обеспечивает протекание окислительно-восстановительных реакций. Входит в состав ряда ферментов, стимулирует синтез гормонов щитовидной железы* |
|
1 Содержание химических элементов приведено не для запоминания |
||
Химические элементы в зависимости от содержания в живых организмах подразделяют на макроэлементы и микроэлементы. Организмы более чем на 98 % состоят из четырех макроэлементов: кислорода, углерода, водорода и азота. Каждый химический элемент выполняет определенные биологические функции. Массовая доля элемента не является показателем степени его важности для организма.
 |
1. Укажите группу, в которой все элементы относятся к макроэлементам. В какой группе все элементы относятся к микроэлементам? а) Железо, сера, кобальт; б) фосфор, магний, азот; в) натрий, кислород, йод; г) фтор, медь, марганец. 2. Какие химические элементы называются макроэлементами? Перечислите их. Каково значение макроэлементов для живых организмов? 3. Какие элементы составляют группу микроэлементов? Приведите примеры. В чем заключается биологическая роль микроэлементов? 4. Установите соответствие между химическим элементом и его биологической функцией:
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. Какие факты позволяют сделать вывод о единстве живой и неживой природы? В чем заключаются особенности элементарного состава живых организмов и как их можно объяснить?
|
«Резиновые» кости
Можно ли завязать кость узлом? Давайте проверим.
Возьмите несколько костей (лучше всего подойдут куриные косточки — они более тонкие), промойте водой, а затем дайте высохнуть. Положите их в банку, залейте уксусом так, чтобы он полностью покрывал кости, и закройте крышкой. Через неделю слейте уксус, промойте кости и оцените изменения, произошедшие с ними.
● Как изменились свойства костей? С чем это связано?
● Употребление каких продуктов питания способствует поддержанию твердости и прочности костей?
Помощь растениям
Недостаток или избыток тех или иных макро- и микроэлементов часто ведет к нарушениям процессов жизнедеятельности. У растений дефицит или избыток определенных химических элементов может проявляться характерными внешними признаками. Например, при дефиците железа молодые листья становятся бледно-зелеными, при этом жилки сохраняют насыщенную зеленую окраску. При недостатке магния у краев листа и между жилками зеленая окраска меняется на желтую, красную или фиолетовую, в дальнейшем происходит отмирание тканей листа. Избыток меди приводит к появлению на нижних листьях желтых, а затем бурых пятен, а также к опадению этих листьев. При избытке хлора стебли и листья твердеют, становятся жесткими, на старых листьях появляются пурпурно-бурые пятна. Итак, нередко растения всем своим видом «просят» подкормки соответствующими удобрениями или указывают на необходимость пересадки в другую почву.
Используя дополнительную литературу и (или) интернет-источники, составьте описание типичных проявлений недостатка и избытка определенных элементов у растений. Оцените состояние ваших комнатных растений (растений школьных кабинетов и коридоров, клумб на территории школы или возле вашего дома и т. д.). Возможно, вы обнаружите некоторые из этих признаков. Однако помните, что изменение внешнего вида растений может быть обусловлено и другими причинами (неблагоприятными условиями, болезнями, вредителями и т. п.). Посоветуйтесь с родителями и учителями, попробуйте оказать помощь растениям, наблюдайте за их ростом и развитием, фотографируйте. Собранные материалы можно использовать для выступления на уроке или внеклассном мероприятии.
● Как недостаток железа или магния может быть связан с нарушением нормальной окраски листьев?
● При обнаружении признаков дефицита железа некоторые цветоводы помещают в горшок с растением гвоздь. Этот способ может оказаться эффективным, если растения произрастают на кислом или слабокислом грунте. Почему он не подходит для щелочного или слабощелочного грунта?
● Считается, что ржавый гвоздь «помогает» растению быстрее, чем незаржавевший. С чем это связано?