Кислород, углерод, водород – входят в состав воды и биологических веществ, из которых образуется клетка (белки, углеводы, жиры).
Кислород. Молекулярный кислород является акцептором электронов на кислородном этапе диссимиляции. В растительный организм кислород поступает из окружающей среды как в виде свободного кислорода 02, так и в составе углекислого газа СО2. Свободный кислород образуется как побочный продукт, в процессе фотосинтеза, за счёт фотолиза воды в световую фазу фотосинтеза, как у водных, так и наземных зелёных растений. В животный организм кислород поступает в виде свободного 02.
Углерод – образует скелет всех органических молекул. В растения он поступает из воздуха в виде СО2. В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуется глюкоза, из которой затем в ходе метаболических реакций образуются все разнообразные органические веществ расте6ния. В организм животных углерод поступает с пищей в виде уже готовых, сложных органических соединений. Углерод в виде неорганических – различных карбонатов входит в состав раковин моллюсков, коралловых полипов, покровов (раковин – раковинных корненожек) тела простейших, из которых образуются осадочные породы – известняки, мел. У млекопитающих бикарбонатная буферная система участвует в поддержании постоянного значения рН внеклеточной среды. В процессе клеточного обмена органические вещества окисляются, образуя СО2 и воду.
Водород. Создаёт протонный потенциал в световой фазе фотосинтеза и на этапах аэробной диссимиляции. За счёт энергии движения протонов водорода Н+ по протонному каналу происходит синтез АТФ, как в митохондриях, так и пластидах.
Водород очень активен, поэтому присоединяется к динуклеотидам НАД+ и НАДФ+, образуя восстановленные формы НАДН2 и НАДФН2.
Азот – единственный химический элемент, который входит в состав всех
аминокислот, белков, нуклеиновых кислот, АТФ, пигментов: зелёного хлорофилла, красных - гемоглобины – железосодержащие протеиды эритроцитов крови, обратимо связывающие молекулярный кислород.
Витаминов: В1 тиамина, В2 рибофлавина, В6 пиридоксина, В12 кобаламина, РР никотинамина, фоливой кислоты.
Азот может фиксироваться из атмосферы азотфиксирующими бактериями (симбиотическими – азотфиксаторами – клубеньковые бактерии, свободноживущими азотфиксирующими бактериями – азотобактер, цианобактериями, азоспириллами), а затем в виде анионов - N02, N03 и катиона NH4 поглощаются растениями. Впоследствии аминогруппы NH2 вовлекаются в аминокислотный синтез. В организм животных азот поступает в химически связанном состоянии в виде белков, аминокислот, и других азотсодержащих компонентов растительного и животного происхождения, входящие в состав кормов и пищи. Значительная часть азотистых веществ пищи остаётся в организме, идёт на построение клеток, тканей, органов, а часть в виде продуктов обмена – аммиака, мочевины, мочевой кислоты, выводятся из организма.
Фосфор – больше всего его содержится в растениях, входит в состав:
· АМФ, АДФ, АТФ, нуклеотидов, коферментов НАД, НАДФ, фосфолипидов мембранных структур, фосфорилированных сахаров.
· Метаболизм фосфора осуществляется в виде остатков ортофосфорной кислоты РО4, присоединение которых к органическим веществам образует макроэнергетическую связь.
· Фосфор так же может содержаться в минеральной форме в виде растворимых фосфатов клеточного сока,
· Входит в состав фосфатов костной ткани, зубной эмали.
· Хитинового покрова членистоногих
· Обеспечивает отложение кальция в костях
· Образует фосфатную клеточную буферную систему, поддерживает рН 6,9
Калий – содержится в клетках в виде ионов, причём калия больше внутри клетки, чем снаружи.
· Благодаря калию цитоплазма имеет определённые коллоидные свойства,
· активирует ферменты белкового синтеза,
· обуславливает нормальный ритм сердечной деятельности,
· участвует в генерации биоэлектрических потенциалов (проведении нервного импульса).
· участвует в процессах фотосинтеза
· входит в состав ферментов, участвующих в гликолизе
· регулирует открывание и закрывание устьиц у растительных клеток
· способствует осуществлению процессов раздражимости,
· обычный компонент вакуолярного сока растений.
· Внутри клеток по сравнению с окружающей средой поддерживается высокая концентрация ионов калия, а концентрация ионов натрия – минимальна. А снаружи клеток больше натрия, а калия меньше.
Пока клетка жива, различие в концентрации ионов между клеткой и средой стойко поддерживается работой ионных насосов. После отмирания клетки или повреждения её мембранных структур градиент химических элементов по обе стороны мембраны быстро выравнивается Na = Na К = К
Сера – участвует в построении:
· серосодержащих аминокислот (цистеина, цистиина, метионина),
· входит в состав витамина В1, биотина – витамина Н, гормона инсулина.
· участвует в образовании внутримолекулярных связей (дисульфидные мостики S – S, поддерживающие третичную структуру белка)
· входит в состав кофермента А (ацетил-КоА)
· соединения серы имеют большое значение для хемосинтезирующих и фотосинтезирующих бактерий, входит в состав бактериохлорофилла,
· сероводород Н2S является источником водорода, окислительно-востановительные реакции соединений серы является источником энергии в хемосинтезе.
· является фактором минерального питания растений.
· соединения серы образуются в печени как продукты обеззараживания ядовитых веществ.
Кальций – в ионном состоянии является антагонистом калия.
· Входит в состав мембранных структур, в виде солей пектиновых веществ, образующих межклеточное вещество – «цемент», соединяющее клетки растений.
· В растительных клетках содержится в виде кристаллов оксалата кальция.
· В организме животных играет важную роль в процессах образования желчи,
· Повышает рефлекторную возбудимость спинного мозга и центра слюноотделения.
· Принимает участие в синоптической передачи нервных импульсов.
· Участвует в регуляции избирательной проницаемости клеточной мембраны
· Необходим для свёртывания крови
· Необходим в молекулярных механизмах мышечного сокращения,
· Для соединений ДНК с белками.
· Много кальция в костях (в виде фосфорно - и углекислых солей) придаёт прочность костям,
· Участвует в образовании желчи
· Содержится в оболочках многих водорослей, раковинах моллюсков, коралловых полипах
· Избыток кальция в крови переходит в кости и выделяется почками. При гипокальциемии, усиливается резорбция кальция из кости и уменьшается выделение его почками.
Хлор – Среди галогенов только хлор и йод встречаются в относительно больших количествах. Хлор находится в ионизированной форме в виде аниона солей натрия, калия, кальция, магния, марганца. Анионы хлора вместе ионами натрия играют важную роль:
· В формировании осмотического потенциала (тургорного давления) плазмы крови, тканевой жидкости, лимфы.
· Входит в состав соляной кислоты – компонента желудочного сока.
· Обеспечивает часть процессов возбуждения и торможения в ЦНС.
· Анионы хлора играют важную роль в связывании гемоглобином кислорода.
· Поддерживает электронейтральность клеток
Магний – находится в клетках в определённом соотношении с кальцием.
· Содержится главным образом в мышцах, костях и нервах человека и животных входит в состав ферментов, необходимых для функционирования этих тканей. Способствует поддержанию в норме электрического баланса, а также обеспечивает протекание обменных реакций, в результате которых организм снабжается энергией.
· входит в состав молекулы хлорофилла, участвует в фотосинтезе,
· активирует энергетический обмен и синтез ДНК
· наряду с кальцием образует соли с пектиновыми веществами
Дефицит магния встречается крайне редко, однако умеренный недостаток этого минерального вещества является довольно широко распространённым. Недостаток магния в рационе приводит к повышенной утомляемости и развитию депрессий.
Натрий – как и калий, содержится в виде ионов. Натрия значительно больше во внеклеточной среде, чем в клетке. Он не образует составных комплексов с составными частями клеток. Хлористый натрий составляет значительную часть минеральных веществ крови и благодаря этому играет роль:
· в регуляции водного обмена организма
· при обильном потоотделении организм теряет значительное количество хлористого натрия, что снижает его работоспособность
· ионы натрия с другими ионами поддерживают осмотический потенциал клеток, что, например, у растений способствует поглощению воды из почвы
· ионы натрия обеспечивают поляризации клеточных мембран,
· способствует осуществлению процессов раздражимости,
· поддерживает с калием и кальцием нормальный ритм сердечной деятельности.
· участвует совместно с анионами органических кислот в поддержании кислотно-щелочного равновесия
· является основным элементом буферной системы тканей и жидкостей организма.
· влияет на синтез гормонов.
В растительных организмах роль натрия не столь разнообразна.
Железо – составная часть:
· хромопротеидов - дыхательных пигментов:
· гемоглобинов – железосодержащих белков эритроцитов крови – переносят кислород.
· миоглобина – сложный белок мышечных тканей, связывающий переносимый гемоглобином от лёгких молекулярный кислород и передающий его окислительным системам клеток. Миоглобин в больших количествах содержится в мышцах морских млекопитающих – дельфинов, тюленей, длительно находящихся под водой.
· Железо (катализатор) участвует в биосинтезе хлорофилла, поэтому при недостатке железа в почве у растений развивается – хлороз - листья теряют зелёную окраску.
· Основная физиологическая роль железа – участие в процессах дыхания, фотосинтеза путём переноса электронов, входит в составе окислительных ферментов: цитохромов, каталазы, пероксидазы, ферродоксина.
· Запас железа в организме человека и животных сохраняется в железосодержащем белке
ф е р р е т и н е, содержащимся в печени и селезёнке.
Суточная потребность организма в железе приходится на юность и зрелые годы. Обычно организм усваивает 10% железа, поступающего в него с пищей. Повышает усвоение железа витамин С.
На 2/3 снижает усвоение железа танин, содержащийся в чае, для поднятия уровня железа чай можно пить через 2 часа после приёма пищи.
Дефицит железа сопровождается воспалениями и изъязвлениями в полости рта, появляются трещины в углах рта, чрезмерно выпадают волосы, особенно у женщин, повышается ломкость костей, ухудшается аппетит и появляется у детей желание есть глину, затрудняется глотание пищи, повышается желание есть мороженое или пить охлаждённые напитки, понижается сопротивляемость инфекциям, снижается внимание, повышенная утомляемость, ухудшается школьниками усвоение учебного материала.
Йод – йод встречается у животных и растений в составе органических соединений – производных – тирозина. Основное количество йода содержится в щитовидной железе, в составе её гормона
т и р о к с и н а, регулирующего интенсивность обмена веществ всего организма, его рост, развитие. Недостаточное количество йода в пищевых продуктах, воде (особенно в горных местностях – эндемичных-местных районах) вызывает нарушение функций этой железы, что сопровождается разрастанием соединительной ткани железы и развитием заболевания – эндемический зоб.
Бром – поступает в организм с растительными продуктами, а также с кухонной солью.
· Много брома содержится в гипофизе (центральная эндокринная железа).
· Соли брома используют с лечебной целью, как успокаивающие.
· Входит в состав витамина В1 – составной части фермента, участвующего в расщеплении пировиноградной кислоты у животных, растений, микроорганизмов.
Фтор - основное количество находится в составе костей и тканей зубов в виде нерастворимых кальциевых солей. Недостаток вызывает кариес зубов, а избыток – болезнь – пятнистую эмаль зубов в виде меловидных и коричневых пятен - флуороз (флюороз) – болезнь скелета и зубов.
Бор – влияет на ростовые процессы растительных организмов. При отсутствии в почве этого микроэлемента у растений отмирают проводящие ткани, верхушечные почки, цветки, на корнях бобовых растений плохо развиваются клубеньки.
Влияет на использование кальция.
Молибден - при отсутствии в почве молибдена клубеньковые бактерии не поселяются на корнях бобовых, ухудшается работа устьичного аппарата листьев, угнетаются ростовые процессы в результате замедления биосинтеза белка.
· Повышает устойчивость растений к грибным заболеваниям.
· Большая роль принадлежит молибдену в азотном питании растений, фиксации азота,
· входит в состав фермента нитратредуктазы, восстанавливающей нитраты.
· Входит в состав ферментов, регулирующих работу устьичного аппарата
· Входит в состав ферментов, участвующих в синтезе аминокислот
Медь – у беспозвоночных входит в состав г е м о ц и а н и н о в - дыхательных пигментов гемолимфы некоторых моллюсков и членистоногих, которые подобно гемоглобину, в организме беспозвоночных переносят кислород. Окисленные гемоцианины имеют синий цвет, восстановленные – бесцветный.
· Медь необходима для процессов кроветворения, синтеза гемоглобина. Недостаток
приводит к нарушению кроветворения, у животных наблюдается анемия, расстройство
пищеварения, потеря аппетита, заболевания сердца.
· Входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов –
ферментов переносчиков электронов
· У человека входит в состав фермента, участвующего в синтезе меланина – пигмента кожи.
· У растений входит в состав ферментов темновых реакций фотосинтеза
· Необходима для развития семян.
Цинк – необходим для синтеза гормонов:
· поджелудочной железы – инсулина, который участвует в регуляции обмена углеводов
· щитовидной железы - тироксина, регулирует все виды обмена, умственное и физическое развитие
· растительных гормонов – ауксинов, вызывают деление и растяжение клеток образовательной ткани (меристемы), стимулируют рост корней, стеблей, листьев, вызывают их изгибы, усиливают корнеобразование у черенков
· входит в состав фермента участвующего в транспорте углекислого газа в крови позвоночных
· в состав фермента, гидролизующего пептидные связи при переваривании белков
· ферментов, необходимых для нормального роста животных и человека
· входит в состав ферментов, активизирующих расщепление угольной кислоты у растений
· для синтеза аминокислоты пролина, им богаты растительные белки – проламины, фибриллярные белки, β – казеин (белок молока), составная часть инсулина, адренокортикотропного - АКТГ гормона гипофиза, стимулирующего образование и секрецию гормонов коры надпочечников – кортикостероидов, грамицидина – антибиотика бактериального происхождения.
Марганец – микроэлемент, при недостатке, которого у растений возникает хлороз – пожелтение листьев.
· Повышает активность карбоксилазы – фермента, катализирующих карбоксилирование органических кислот. В активный центр карбоксилазы входит биотин
· Способствует восстановлению нитратов в растениях
· Входит в состав ферментов участвующих в дыхании, окислении жирных кислот
· Входит в состав ферментов темновых реакций фотосинтеза
Кобальт – микроэлемент
· входит в состав витамина В12(цианкобаломин), недостаток приводить к тяжёлому заболеванию
авитаминозу В12, (в желудке всасывается в составе кобаламина)
· недостаток кобальта приводит к кобальтдефицитной анемии
· принимает участие в синтезе гемоглобина
· Входит в состав гормона и н с у л и н а
· Требуется азотфиксирующим микроорганизмам
Потребность в минеральных веществах повышается у женщин и животных при беременности в связи с ростом зародыша. Велико их значение так же для растущих организмов.
Содержание в клетке химических соединений в процентах % на сырую массу:
ВОДА - 75 – 85 НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ- 1 – 2
БЕЛКИ - 10 – 20 АТФ и др. НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ В-ВА - 0,1 – 0,5
ЖИРЫ- 1 – 5 Неорганические вещества - 1,0 – 1,5
УГЛЕВОДЫ- 0,2 – 2 минеральные вещества (соли)
Входящие в клетку вещества делятся на:
Неорганические – вода и минеральные соли
Органические – белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ,