Біоелементи. Біоенергетичні елементи: огляд будови й біологічна роль.

Біогенні елементи (біоелементи) — це хімічні елементи, що входять до складу живої матерії, виявляють певні властивості та відіграють важливу роль у процесах життєдіяльності.

Найбільший вміст у живій природі припадає на елементи-органогени (Карбон, Гідроген, Оксиген і Нітроген), які є типовими неметалічними елементами:

• Оксиген (O) — 65 - 75 % — входить до складу органічних речовин та води;

• Карбон (C) — 15 - 18 % — входить до складу усіх органічних речовин;

• Гідроген (H) — 8 - 10 % — входить до складу води та практично усіх органічних речовин;

• Нітроген (N) — 1,5 - 3 % — входить до складу нуклеїнових кислот, білків, амінокислот, тощо.

Біологічне значення органогенів зумовлене наступними властивостями:

• атоми органогенів легко сполучаються між собою, утворюючи міцні ковалентні зв'язки, що забезпечує стійкість біомолекул;

• Гідроген і Оксиген можуть утворювати слабкі водневі зв'язки, які зумовлюють можливість зміни структури біомолекул;

• мають малі розміри, малу відносну атомну масу і є легкими елементами, що є важливим для утворення біомолекул.

Макроелементами є металічні елементи — Калій (K), Кальцій (Ca), Натрій (Na), Магній (Mg), Ферум (Fe) і неметалічні елементи — Фосфор (P), Хлор (Cl), Сульфур (S). Атомна маса цих елементів є дещо більшою, але для завершення їхнього зовнішнього електронного шару не вистачає невеликої кількості електронів.

Основними властивостями макроелементів є:

• висока здатність утворювати йони та участь в утворенні йонних зв'язків;

• більшість макроелементів є сильними відновниками або окисниками, тому в складі біосистем досить часто беруть участь у регуляції життєвих функцій.

Мікроелементами є Цинк (Zn), Йод (I), Купрум (Cu), Манган (Mn), Молібден (Mo), Кобальт (Co) та інші, що розташовуються в нижній частині таблиці, у переважній більшості є металічними елементами. Мікроелементи активують або пригнічують дію ферментів та входять до їх складу.

Біоелементи в біосистемах виконують свої функції у складі біомолекул у формі нерозчинних сполук та йонів. За функціями й біологічними властивостями біоелементи класифікують на структурні та метаболічні (біокаталітичні, регуляторні та кровотворні).

Структурні біоелементи беруть участь в утворенні сполук і виконують роль будівельного матеріалу для клітин, тканин і органів. Так, Карбон (C), Оксиген (O), Нітроген (N), Гідроген (H) утворюють органічні речовини, Кальцій (Ca) і Фосфор (P) — кістки, черепашки молюсків, Силіцій (Si) — опорні структури діатомових водоростей та хвощів.

Біокаталітичні елементи забезпечують високу біологічну активність ферментів і вітамінів.

Регуляторні елементи в складі гормонів здійснюють ендокринну регуляцію (Йод є структурним компонентом тироксину, Цинк — інсуліну), транспортують речовини крізь мембрани (натрій-калієвий насос), створюють різницю потенціалів по різні боки мембран для синтезу АТФ (йони Гідрогену) тощо.

Кровотворні біоелементи (Ферум (Fe), Купрум (Cu)) беруть участь у процесах гемопоезу.

Біоелементи виконують у біосистемах структурну, біокаталітичну, регуляторну та кровотворну функції.

Біонеорганічні речовини — це прості й складні неорганічні речовини, нестача яких у живому організмі призводить до порушення біологічних функцій. Ці прості і складні речовини є обов'язковими компонентами будь-якої біосистеми.

З неметалічних елементів найбільше значення в біосистемах мають Оксиген і Нітроген. Основною особливістю, що зумовлює біологічне значення неметалічних елементів є їхня здатність приєднувати електрони і виступати окисниками у окисно-відновних реакціях. Прикладом таких речовин є Оксиген як акцептор електронів у реакціях кисневого розщеплення біомолекул. Важливим для життєдіяльності є і Нітроген, незважаючи на його хімічну інертність. У біосистеми цей газ надходить завдяки азотофіксуючій діяльності бульбочкових бактерій, ціанобактерій.

У біологічних системах металічні елементи мають здатність віддавати електрони і бути сильними відновниками в окисно-відновних реакціях. Десять металічних елементів (Натрій, Калій, Магній, Кальцій, Манган, Ферум, Кобальт, Купрум, Цинк, Молібден) називають біометалами або «металами життя», оскільки вони відіграють важливу роль у життєдіяльності організмів. Ці метали легко утворюють стійки йони, що беруть участь у транспортуванні речовин (Натрій, Калій), взаємоперетворенні форм енергії (Кальцій у м'язовому скороченні). Вони входять до складу гормонів (Цинк, Кобальт), ферментів і дихальних та фотосинтезуючих пігментів (Ферум, Купрум). Важкі металічні елементи чинять токсичну дію на організми (Кадмій, Меркурій).

Прості речовини в складі живих організмів здійснюють окиснювально-відновну, структурну, регуляторну, енергетичну функції.

Серед складних речовин виокремлюють оксиди, кислоти, основи і солі.

Оксидами є складні сполуки, які складаються з атомів двох видів, один з яких є Оксиген.

Кислотні оксиди (CO2,SO2,SO3,N2O5,P2O5) переважно добре розчиняються у воді й утворюють мінеральні кислоти. Карбон(IV) оксид (вуглекислий газ, CO2) є регулятором дихання, а карбон (II) оксид (чадний газ, CO) — є токсичною речовиною.

Основні оксиди (за винятком оксидів лужних і деяких лужноземельних металів (K2O,Na2O,MgO) переважно нерозчинні у воді й здатні реагувати з кислотами з утворенням важливих для живих організмів солей і основ.

Серед амфотерних оксидів найбільше значення має H2O. У живих системах важливу роль виконує гідроген пероксид H2O2, який є сильним окисником і тому небезпечним для клітин.

Кислотами називаються сполуки, що містять у молекулах йони Гідрогену та кислотні залишки. Основною біологічною властивістю кислот є їхня здатність до дисоціації й визначення кислотності рідин внутрішнього середовища. Кислоти утворюють важливі для живих організмів аніони (NO−3,Cl−,SO2−4,CO2−3) беруть участь у регуляції процесів, та катіони H+, від концентрації яких залежить рН рідин і секретів.

Сильні кислоти активують травні ферменти (HCl), здатні розчиняти мінеральні сполуки, що надходять для обміну речовин (H2SO4), будують важливі біомолекули (залишки H3PO4 у складі АТФ, нуклеотидів, фосфоліпідів тощо).

У слабких кислот лише невелика частина молекул дисоціює повністю на йони, але й вони активно залучаються для регуляції рН крові (H2CO3 й карбонатна буферна система), для утворення органічних сполук (H2S для бактеріального фотосинтезу) тощо.

Основами називають сполуки, що складу яких входять йони металу і гідроксильні групи (OH−). Основи мають здатність зв'язувати йони H+ та беруть участь в утворенні буферних систем. Більшість основ у воді нерозчинні, тому живі організми утворюють їх як кінцеві продукти окисно-відновних реакцій.

Розчинні основи беруть участь:

• в утворенні солей (NaOH, KOH);

• у реакціях нейтралізації (Ba(OH)2 — для нейтралізації хлоридної кислоти і зменшення кислотності, Al(OH)3 — для нейтралізації алкалоїдів рослинної їжі у тварин);

• в ґрунтоутворенні й створенні умов існування для ґрунтових мешканців.

Мінеральні солі — це продукти повного або часткового заміщення атомів Гідрогену в кислотах на атоми металів.

Розчинні солі під час дисоціації розкладаються на катіони металів та аніони кислотних залишків, завдяки чому відбуваються надходження із середовища існування до біосистем багатьох поживних елементів, окисно-відновні реакції, реакції обміну з основами, кислотами та іншими солями.

Нерозчинні солі багато організмів використовують для побудови захисних та опорних утворень (наприклад, CaCO3 та Ca3(PO4)2 утворюють черепашки, скелети коралів, зуби хребетних).

Кислі солі, які утворюються у реакціях між лугами і кислотами, беруть участь у формуванні буферних систем.

Із розчинних солей для організмів найбільше значення мають солі, до складу яких входять катіони Натрію, Калію, Кальцію, Магнію, Феруму та залишки хлоридної, сульфатної та нітратної кислот. Ці йони забезпечують транспортування речовин крізь мембрани клітин, регуляцію роботи серця, проведення збудження, активацію ферментів, тощо.

Складні неорганічні речовини беруть участь у найважливіших процесах функціонування усіх біологічних систем.

Опрацювати параграф 19. Виконати "Діяльність" Самостійна робота з таблицею "Значення біоелементів"(всю написати в зошит) с.82-83

Виконати "Діяльність" Завдання на зіставлення "Організм людини і метали"(таблицю також записати в зошит)