ЕЛЕМЕНТНИЙ СКЛАД ЖИВИХ ІСТОТ

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

Тема. 3 Елементний склад біологічних систем

§ 11. ЕЛЕМЕНТНИЙ СКЛАД ЖИВИХ ІСТОТ

Терміни та поняття: макроелементи, мікроелементи, органогенні та біогенні елементи, гемоціанін.

Атоми живого і періодична система хімічних елементів. Як відомо з курсу хімії, до складу тіл живої й неживої природи входять хімічні елементи. Причому живі організми утворені з тих самих атомів, що й тіла неживої природи. Встановлено, що в клітинах у різній кількості міститься близько 80 природних елементів

періодичної системи Д. І. Менделєєва. (Пригадайте загальну кількість хімічних елементів, відомих науці.) Тому відмінність у елементному складі живого й неживого полягає лише в різному кількісному співвідношенні хімічних елементів, а не в тому, що у клітинах організмів містяться атоми особливих хімічних елементів, яких більше ніде немає. Наприклад, Силіцій (Sі) – другий за масою елемент земної кори (пригадайте, пісок – це ніщо інше, як силіцій(ІV) оксид SiO2) – у клітинах живих організмів становить менше 0,0001 % і не входить навіть до двадцяти найпоширеніших елементів живого.

Проте в живій речовині

накопичуються елементи з певними властивостями. Так, відмічено, що найбільше живої маси складають елементи Карбон, Нітроген, Фосфор, Сульфур (C, N, P, S), що легко утворюють розчинні та газуваті сполуки, хоча в земній корі їх вміст відносно незначний. Навпаки елементи, що зазвичай утворюють нерозчинні у воді сполуки – Сіліцій, Ферум, Алюміній (Si, Fe, Al), у складі організмів зустрічаються в мізерній кількості, хоча є головними в неживій природі.

Взагалі між біологічною роллю елемента та його положенням у періодичній системі є певна відповідність. Перш за все, органічний світ побудований з легких атомів. Крім того, при переході від легких до важких елементів у межах однієї підгрупи підвищується токсичність елементів (наприклад Цинк, Кадмій, Меркурій Zn, Cd, Hg) і відповідно знижується їх вміст у живому; елементи окремих підгруп періодичної системи Д. І. Менделєєва можуть бути взаємозамінними, як-от: Кальцій, Стронцій, Барій (Ca, Sr, Ba); металічні елементи восьмої групи – Ферум, Кобальт, Нікель (Fe, Co, Ni) є компонентами біоактивних сполук тощо.

Що таке макро – і мікроелементи. Хімічні елементи, які містяться в живих організмах, відповідно до їх кількості в клітині поділяють на дві групи: макроелементи і мікроелементи.

Групу макроелементів складають 12 найприродніших для живих організмів елементів. Вони містяться в усіх організмах, їх наявність є однією з умов життєдіяльності клітини. Особливо великий вміст у клітині чотирьох макроелементів: Оксигену (О), Карбону (С), Гідрогену (Н), Нітрогену (N). Їх частка становить 98 % від загального вмісту хімічних елементів клітини, тому їх називають органогенними елементами. І це не випадково: Гідроген і Оксиген утворюють воду, яка становить більшу частину маси клітини, Карбон і Нітроген є складовою всіх білків. Вчені виділяють кілька причин такої важливості цих елементів. По-перше, атоми цих елементів утворюють ковалентні зв’язки (пригадайте з хімії сутність і різновиди, типи цього хімічного зв’язку). По-друге, ці атоми характеризуються малими розмірами, завдяки чому вони утворюють “компактні” молекули з малими міжатомними відстанями, що робить їх досить стійкими.

Вміст решти 8 макроелементів: Калію (К), Сульфуру (S), Фосфору (Р), Хлору (СІ), Магнію ^g), Кальцію (Са), Натрію (Na), Феруму (Fе) – обчислюється десятими і сотими відсотка. Їх загальна питома вага становить 1,9 % маси клітини, а біологічні функції детально вивчені. Так, Сульфур є складовою деяких білків, Ферум входить до складу гемоглобіну, Магній – хлорофілу, а Кальцій – основний елемент неорганічних речовин, що утворює кісткову тканину. Біологічне значення мають іони макроелементів: наявність іонів Кальцію є одним із факторів зсідання крові, іони Na+, К+ і СІ – забезпечують проникність клітинної мембрани, відповідають за проведення нервового імпульсу в тварин та людини і беруть участь у здійсненні такої функції організму, як подразливість.

Мікроелементи – це хімічні елементи, потрібні організму в незначній кіль кості, вони зазвичай становлять тисячні частки відсотка. На них загалом припадає 0,01 % маси клітини. Як і більшість макроелементів, вони мають певні функції, без них неможливе життя клітини. Налічують по над 30 мікроелементів, серед яких хімічні металічні елементи: Алюміній (Аl), Купрум (Сu), Манган (Мп), Цинк (Zn), Молібден (Мо), Кобальт (Со), Нікол (Ni), Стронцій (Sr) – і неметалічні елементи: Йод (І), Селен (Sе), Бром (Вг), Флуор (F), Арсен (As), Бор (В). Мікроелементи є складовою ряду біологічно важливих сполук, наприклад, ферментів, гормонів, вітамінів, що впливають на швидкість процесів обміну речовин, ріст і розвиток.

Мал. 83.Кальмар, як і інші головоногі молюски, пересувається завдяки реактивній тязі

Межа між мікро – і макро елементами умов на: хімічні елементи, вміст яких в організмі одних видів тварин є мізерним, в інших – значним, що дозволяє називати їх макроелементами. Так, у головоногих молюсків (мал. 83) і десятиногих раків (мал. 84) замість гемоглобіну в крові міститься гемоціанін (від грец. гема – кров і цианос – темно-синій), до складу якого входить Купрум (Cu), а в найпримітивнішої хордової тварини асцидії (мал. 85) у безбарвній крові міститься металічний елемент Ванадій. Тому на відміну від інших тварин, хімічні елементи Купрум і Ванадій у цих організмах на копичуються у величезній кількості.

Чи всі хімічні елементи виконують певну функцію в організмі. Питання про те, чи всі 80 хімічних елементів, серед яких і ультрамікроелементи (менш як 0,000001 %): Аурум (Аu), Меркурій (Нg), Берилій (Ве), Цезій Cs), Уран (U) і Радій (Ra), мають певне значення для організму, остаточно не з’ясоване. В. І. Вернадський вважав, що всі елементи, які постійно є в організмі, відіграють притаманну саме їм фізіологічну роль. Хоча на сьогодні достовірно встановлено значення лише близько 30 хімічних елементів, без яких організм людини не може нормально існувати. Всі вони життєво необхідні. Однак можливо, що якась час ти на ультрамікроелементів потрапляє в організм із зовнішнього середовища разом з їжею і просто “замінює” елементи з подібними хімічними властивостями. Так, Цезій Cs) у клітинах м’язів може заміщати Калій (K), Стронцій (Sr) в кістковій тканині – Кальцій (Са). Внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС в довкілля потрапили Стронцій і Цезій, які утворюють радіоактивні ізотопи, що є досить небезпечним для людини. Річ у тім, що радіоізотопи, які увійшли до складу речовин, можуть протягом кількох місяців або навіть років опромінювати організм, спричиняючи пошкодження молекул і структур клітин.

Серед елементів, що містяться в живих організмах, налічують близько 20 біогенних елементів, які є обов’язковими і постійно входять до складу клітин всіх живих істот. До них належать усі макроелементи і деякі мікроелементи. Наявність особливої групи біогенних елементів доводить, що всі клітини мають єдине походження. Дефіцит навіть одного з цих елементів є небезпечним для організму (табл. 2)

Мал. 84.Креветка теж належить до десятиногих раків, хоча і не має грізних клешень

Мал. 85.Асцидії – колоніальні і найбільш примітивні хордові тварини

Таблиця 2.

Основні біогенні елементи та їх значення для організмів

Елемент і його символ	Масова частка(%)	Біологічне значення елементів
Оксиген (О)	65-75	Входить до складу води й біологічно важливих органічних речовин
Карбон(С)	15-18	Обов’язковий компонент усіх органічних речовин
Гідроген (Н)	8-10	Входить до складу води й усіх органічних речовин
Нітроген (N)	1,5-3,0	Неодмінний компонент амінокислот, пептидів, білків, нуклеїнових кис лот
Фосфор (Р)	0,20-1,0	Неодмінний компонент нуклеїнових кислот, входить до складу кісток
Калій (К)	0,15-0,40	Головний позитивний іон всередині клітини, покращує роботу міокарда, регулює водно-сольовий обмін
Сульфур (S)	0,15-0,20	Входить до складу білків, знижує чутливість організму до алергії
Хлор (СІ)	0,05-0,10	Регулює баланс води в організмі людини, складова шлункового соку
Магній (Mg)	0,02-0,03	Входить до складу хлорофілу, активізує роботу багатьох ферментів
Натрій (Na)	0,02-0,03	Головний позитивний йон поза клітиною, відповідає за проведення нервового імпульсу
Кальцій (Са)	0,04-2,0	Активізує скоротливість м’язових волокон, входить до складу кісток, регулює розвиток листків рослин
Ферум (Fe)	0,01-0,015	Входить до складу гемоглобіну
Цинк (Zn)	0,0003	Активізує деякі ферменти, має імуностимулюючу дію
Купрум (Сu)	0,0002	Активізує роботу деяких ферментів
Йод (І)	0,0001	Входить до складу гормону щитоподібної залози
Флуор (F)	0,0001	Входить до складу зубної емалі
Кобальт (Со)	Менше 0,0001	Входить до складу вітамінів, бере участь у регуляції кровотворення
Манган (Mn)	Менше 0,0001	Підвищує активність ферментів, сприяє фотосинтезу
Бор(В)	Менше 0,0001	Впливає на процеси росту
Молібден (Мо)	Менше 0,0001	Впливає на швидкість синтезу білка в рослин

Отже, значних відмінностей у хімічному складі об’єктів живої й неживої природи немає: вони складаються з однакових елементів, але містять їх в різних пропорціях. Усупереч деяким відмінностям в елементному складі різних клітин, він переважно є сталим для усіх живих організмів, що свідчить про спільність по ход жен ня всіх клітин.

Особливо важливими для клітини є біогенні елементи, що поділяються на макроелементи, питома вага яких досить значна, і мікро елементи, які становлять десяті чи навіть соті відсотка від маси клітини, однак нормальна життєдіяльність без цих елементів неможлива.