Свойства и биологическая роль органогенных элементов.

Элементы органогены и другие

Важные p-элементы

Свойства и биологическая роль органогенных элементов.

 

Углерод.Этому элементу принадлежит наиглавнейшая роль в образовании биосистем. Атомы углерода, благодаря особенностям строения наружной электронной оболочки (четыре электрона в возбужденном состоянии, способных к образованию sp³, sp² и sp-гибридизации), образуют крепкие и энергоемкие связи – простые, двойные или тройные. Они связываются между собой в линейные, разветвленные и циклические структуры. Присоединяя к себе гетероатомы, образуют замкнутые гетероциклы. Среди гетероциклов существует большое количество биологически-активных соединений.

В настоящее время количество органических веществ, существующих в природе или образованы синтетически насчитывает около 10 млн. К ним принадлежит и большое число биоорганических соединений – биополимеров( белки, нуклеиновые кислоты, углеводы), биорегуляторы

(ферменты, гормоны, витамины) и синтетические физиологически-активные вещества. Они являются объектами изучения биоорганической химии, которая изучает химическое строение и свойства соединений углерода, которые входят в состав организмов.

Поскольку атомы углерода могут иметь различные степени окисления и находиться в одних и тех же молекулах в различных степенях окисления, то это тоже служит причиной многообразия соединений этого элемента.

Среди неорганических соединений углерода мы отметим особо его оксиды – СО₂ и СО.

Монооксид углерода или угарный газ (СО) – это бесцветный, очень ядовитый газ, который образуется при неполном сгорании разных видов топлива. Как мы уже говорили, с гемоглобином крови от образует стойкое комплексное соединение карбогемоглобин, которое в отличие от гемоглобина не способна переносить кислород от легких в ткани. Поэтому, даже при незначительной концентрации СО в воздухе наступает отравление организма человека. Антидотом при отравлении угарным газом является кислород в специальной барокамере.

Цианид водорода (НСN) при нормальных условиях – хорошо растворимая жидкость. Ее раствор в воде – это синильная кислота. Эта кислота и ее соли являются ядовитыми веществами. Даже в мизерных дозах они смертельно действуют на организм. Механизм их отравляющего действия заключается в том, что он образует комплексные соединения, особенно с двухвалентным катионом железа, который входит в состав ферментов, отвечающих за дыхание. И минимальное количество солей синильной кислоты вызывает паралич дыхательных путей.

Но в микроколичествах цианид-ионы образуются в организме и используются им для построения некоторых биоструктур, например, цианокобаломина (витамина В₁₂). В молекуле этого витамина цианид-ионы выполняют роль лигандов в составе хелатного комплекса.

Важным соединением углерода является диоксид углерода СО₂ (углекислый газ), который является конечным продуктом биологического окисления в клетках разных биосубстратов – глюкозы, липидов и, в меньшей степени, - белков.

В химическом отношении СО₂ – кислотный оксид, ангидрид угольной кислоты. Он плохо растворим в воде. Угольная кислота – это слабая двухосновная кислота. Поэтому в смеси с солями этой кислоты действует в организме в качестве буферной системы крови.

Содержание углекислого газа в атмосфере воздуха составляет приблизительно 0,03% по объему. Он играет важную роль в поддержании определенного постоянного температурного режима на поверхности Земли, поскольку молекулы углекислого газа способны накапливать УФ-излучения, предотвращая выход тепла за пределы атмосферы. Но в последнее время из-за активной производственнолй деятельности человека наблюдается постоянное увеличение концентрации углекислого газа в воздухе, что может привести к глобальным климатическим изменением – „парниковому эффекту”.

Водород (Н) и Кислород (О). В организме человека сождержится приблизительно 10% по массе Водорода и 62, 4% кислорода. Основная масса этих элементов находится в виде ковалентных соединений с другими неметаллами – углеродом, азотом, фосфором, серой в составе биологически активных веществ, поскольку входят в состав углеводов, белков и жиров. Поскольку атомы водорода являются донорами електронов, они участвуют во всех окислительно-восстановительных реакциях в организме. Энергия этих электронов используется на образование таких високоэнергетических соединений как молекулы АТФ, АДФ и др.

Также, протоны водорода играют важную роль в поддержании кислотно-основного равновесия в организме, катализируют реакции окисления молекул пищевых продуктов, принимают участие в переваривании пищи, поскольку входят в состав соляной кислоты – важного компонента желудочного сока.

Наиболее важное значение для фцнкционирования биосистем имеет кислород. Как элемент-органоген он входит в состав огромного числа кислородсодержащих органических биомолекул – белков, жиров, фосфолипидов, нуклеиновых кислот, ферментов, витаминов и т.д.

Без кислорода не может функцилонировать ни одна клеточка живого организма, поскольку он принимает участие во всех обменных реакциях, происходящих на клеточном уровне. Во всех окислительных реакциях он выступает в роли окислителя, то есть акцептором электронов. Окисление органических веществ сопровождается огромным выбросом энергии, которые накапливаются в макроэргических связях АТФ и служат для выполнения организмов разного вида работы.

Кислород необходим для осуществления одного из наиважнейших процессов – дыхания. Это сложный многоступенчатый процесс. Химизм его заключается в следующем. Кислород, поступая из легких в кровь с гемоглобином, в виде оксигемоглобина, преносится в ткани и клетки, где происходят множественные процессы окисления органических веществ.

Таким образом, кислород и водород являются носителями окислительно-восстановительных реакций в организме. Они играют важную роль в обмене энергии и веществ, поскольку основное количество энергии в организме вырабатывается за счет окислительно-восстановительных процессов, которые называют биологическим окислением.

Азот. Входит в состав молекул огромного количества биологически активных веществ – белков, витаминов, гормонов, нуклеиновых кислот и др. Общее содержание азота в организме человека составляет 3,1% по массе. Он обязательно является составляющей всех белковых молекул, играет огромную роль в обмене веществ. Входит в состав гетороцикличных соединений, которые являются компонентами аминокислот инуклеиновых кислот – ДНК, РНК.

Азот образует ковалентные связи с другими молекулами-0органогенами, которые легко расщепляются под действием ферментов.

Молекулярный азот, находящийся в атмосфере не может усваиваться человеческим организмом в том виде. Поскольку характеризуется высокой термодинамической стойкостью.

Биологический процесс связывания атмосферного азота до аммиака осуществляется под действием фермента нитрогеназы. Этот процесс является очень важным, поскольку фиксация азота является необходимым условием существования жизни.

Азот образует множество соединений с нерганическими веществами, важыми с точки зрения применения в медицине являются аммиак, соли азотной и азотистой кислот.

Аммиак используется в медицинской практике в виде нашатырного спирта (10% водный раствор аммиака).

Оксид азота, который является продуктом распада азотной и азотистой кислот является в организме человека регулятором сердечно-сосудистой дестельности и поддерживает тонус кровеносных сосудов. При маленьком его количестве используют такие лекарственные препараты как нитроглицерин или амилнитрит, которые являютя сильными сосудорасширяющими средствами.

Сера – еще один из элементов-органогенов. В живых организмах сера входит в состав аминокислот (цистеин, цистин, метионин), белков, липидов, в состав некоторых витаминов (В₁ , В₁₂ и др.) , а также биорегуляторов – (инсулин). Большое количество его содержится в кератине, в волосах, костях, нервных клетках, массовая доля его в организме взрослого человека составляет около 0,16%.

С биохимической точки зрения функцуия этого элемнта состоит в его способности образовывать связи типа – S – S – в составе полипептидных цепочек протеинов. Эти дисульфидные мостики помогают в постоении пространственной конфигурации молекул белков и являются условием их нормального функционирования.

Фосфор в своих соединениях може проявлять валентность Ш и Y. Наиболее стойкими из них яаляются соединения с валентностью Y, среди которых важное биологическое значение имеют соли ортофосфорной кислоты.

Фосфор называют «элементом жизни и мышления», поскольку он играет существенную роль в обмене веществ и энергии. В виде фосфат-ионов, он входит в сосав нуклеотидов, которые являются мономерными единицами нуклеиновых кислот (РНК, ДНК). Нуклеиновые кислоты – это полимеры, которые обеспечивают сохранение и передачу наследственной инфоромации. Некоторые нуклеотиды принимают участие в обмене веществ, выполняя функцию коферментов.

Биоорганические молекулы, которые состоят из азотсодержащих оснований и углевода пентозы, называют нуклеозидами. Нуклеозиды, взаимодействуя с фосфорной кислотой, образуют моно-, ди- и триаденозинфосфаты (АМФ, АДФ, АТФ). Связывание фосфорной кислоты биоорганическими молекулами с образованием их эфиров или амидов называют биологическим фосфорелированием, а образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата получило название окислительного фосфорелирования.

Аденозинфосфаты содержатся в митохондриях клеток и принимают участие в энергетическом обмене. Важная роль принадлежит молекуле АТФ, которая является источником и аккумулятором энергии организма. В результате гидролиза АТФ под действием фермента АТФ-азы выделяется 30,5 кДж свободной энергии Гиббса на 1 моль кислоты, которая используется для сокращения мышц, биосинтеза белков и нуклеиновых кислот и мембранного транспорта.

Хорошо растворимые в воде неорганические фосфаты входят в состав фосфатной буферной системы, которая в комплексе с другими буферными системами обеспечивает постоянное значение рН крови.

Фосфор является основным компонентом минеральной основы костной ткани и зубов, а также зубной эмали.

В организме содержится в среднем 650 г фосфатов, из них более 80% находится в скелете, а остальное количество во внутриклеточной и внеклеточной жидкостях. Суточная норма организма в фосфоре составляет1,0 – 1,3 г. При его недостатке, особенно в комплексе с кальцием и витамином D, развивается рахит.