Властивості та біологічна роль органогенних елементів

Елементи органогени і інші

Властивості та біологічна роль органогенних елементів.

Вуглець. Цьому елементу належить найголовніша роль в утворенні біосистем. Атоми вуглецю, завдяки особливостям будови зовнішньої електронної оболонки (чотири електрона в збудженому стані, здатних до утворення sp 3. sp 2 та sp-гібридизації), утворюють міцні і енергоємні зв'язку - прості, подвійні або потрійні. Вони зв'язуються між собою в лінійні, розгалужені і циклічні структури. Приєднуючи до себе гетероатоми, утворюють замкнуті гетероцикли. Серед гетероциклов існує велика кількість біологічно-активних сполук.

В даний час кількість органічних речовин, що існують в природі або утворені синтетично налічує близько 10 млн. До них належить і велика кількість біоорганічних сполук - біополімерів (білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи), біорегулятори

(Ферменти, гормони, вітаміни) і синтетичні фізіологічно-активні речовини. Вони є об'єктами вивчення біоорганічної хімії, яка вивчає хімічну будову і властивості сполук вуглецю, які входять до складу організмів.

Оскільки атоми вуглецю можуть мати різні ступені окислення та перебувати в одних і тих же молекулах в різних ступенях окислення, то це теж служить причиною різноманіття з'єднань цього елементу.

Серед неорганічних сполук вуглецю ми відзначимо особливо його оксиди - СО2 і СО.

Монооксид вуглецю або чадний газ (СО) - це безбарвний, дуже отруйний газ, який утворюється при неповному згорянні різних видів палива. Як ми вже говорили, з гемоглобіном крові від утворює стійке комплексне з'єднання карбогемоглобін, яке на відміну від гемоглобіну не здатна переносити кисень від легенів до тканин. Тому, навіть при незначній концентрації СО в повітрі настає отруєння організму людини. Антидотом при отруєнні чадним газом є кисень в спеціальній барокамері.

Ціанід водню (НСN) при нормальних умовах - добре розчинна рідина. Її розчин у воді - це синильна кислота. Ця кислота і її солі є отруйними речовинами. Навіть в мізерних дозах вони смертельно діють на організм. Механізм їх отруйної дії полягає в тому, що він утворює комплексні сполуки, особливо з двовалентним катионом заліза, який входить до складу ферментів, що відповідають за дихання. І мінімальна кількість солей синильної кислоти викликає параліч дихальних шляхів.

Але в микроколичествах ціанід-іони утворюються в організмі і використовуються ним для побудови деяких біоструктур, наприклад, ціанокобаломін (вітаміну В12). У молекулі цього вітаміну ціанід-іони виконують роль лігандів в складі хелатного комплексу.

Важливим з'єднанням вуглецю є діоксид вуглецю СО2 (вуглекислий газ), який є кінцевим продуктом біологічного окислення в клітинах різних биосубстратов - глюкози, ліпідів і, в меншій мірі, - білків.

У хімічному відношенні СО2 - кислотний оксид, ангідрид вугільної кислоти. Він погано розчинний у воді. Вугільна кислота - це слабка двухосновная кислота. Тому в суміші з солями цієї кислоти діє в організмі як буферної системи крові.

Водень (Н) і Кисень (О). В організмі людини сождержітся приблизно 10% по масі водню і 62, 4% кисню. Основна маса цих елементів знаходиться в вигляді ковалентних сполук з іншими неметалами - вуглецем, азотом, фосфором, сіркою в складі біологічно активних речовин, оскільки входять до складу вуглеводів, білків і жирів. Оскільки атоми водню є донорами Електрон, вони беруть участь у всіх окислювально-відновних реакціях в організмі. Енергія цих електронів використовується на освіту таких вісокоенергетіческіх з'єднань як молекули АТФ, АДФ і ін.

Також, протони водню грають важливу роль в підтримці кислотно-лужної рівноваги в організмі, каталізують реакції окислення молекул харчових продуктів, беруть участь у перетравленні їжі, оскільки входять до складу соляної кислоти - важливого компонента шлункового соку.

Найбільш важливе значення для фцнкціонірованія біосистем має кисень. Як елемент-органоген він входить до складу величезного числа кисневмісних органічних біомолекул - білків, жирів, фосфоліпідів, нуклеїнових кислот, ферментів, вітамінів і т.д.

Без кисню не може функцілоніровать жодна клітинка живого організму, оскільки він бере участь у всіх обмінних реакціях, що відбуваються на клітинному рівні. У всіх окисних реакціях він виступає в ролі окислювача, тобто акцептором електронів. Окислення органічних речовин супроводжується величезним викидом енергії, які накопичуються в макроергічних зв'язках АТФ і служать для виконання організмів різного виду роботи.

Кисень необхідний для здійснення одного з найважливіших процесів - дихання. Це складний багатоступінчастий процес. Хімізм його полягає в наступному. Кисень, вступаючи з легких в кров з гемоглобіном, у вигляді оксигемоглобіну, преносится в тканини і клітини, де відбуваються численні процеси окислення органічних речовин.

Таким чином, кисень і водень є носіями окисно-відновних реакцій в організмі. Вони грають важливу роль в обміні енергії і речовин, оскільки основна кількість енергії в організмі виробляється за рахунок окислювально-відновних процесів, які називають біологічним окисленням.

Азот утворює ковалентні зв'язки з іншими молекулами-0органогенамі, які легко розщеплюються під дією ферментів.

Молекулярний азот, що знаходиться в атмосфері не може засвоюватися людським організмом в тому вигляді. Оскільки характеризується високою термодинамічної стійкістю.

Біологічний процес зв'язування атмосферного азоту до аміаку здійснюється під дією ферменту нітрогенази. Цей процес є дуже важливим, оскільки фіксація азоту є необхідною умовою існування життя.

Азот утворює безліч з'єднань з нерганіческімі речовинами, важимі з точки зору застосування в медицині є аміак, солі азотної і азотистої кислот.

Аміак використовується в медичній практиці у вигляді нашатирного спирту (10% водний розчин аміаку).

Оксид азоту, який є продуктом розпаду азотної і азотистої кислот є в організмі людини регулятором серцево-судинної дестельності і підтримує тонус кровоносних судин. При маленькому його кількості використовують такі лікарські препарати як нітрогліцерин або амилнитрит, які являються сильними судинорозширювальнимизасобами.

Сірка - ще один з елементів-органогенов. В живих організмах сірка входить до складу амінокислот (цистеїн, цистин, метіонін), білків, ліпідів, до складу деяких вітамінів (В1. В12 і ін.). а також биорегуляторов - (інсулін). Велика кількість його міститься в кератині, в волоссі, кістках, нервових клітинах, масова частка його в організмі дорослої людини становить близько 0,16%.

З біохімічної точки зору функцуія цього елемнтов полягає в його здатності утворювати зв'язку типу - S - S - в складі поліпептидних ланцюжків протеїнів. Ці дисульфідні містки допомагають в постоеніі просторової конфігурації молекул білків і є умовою їх нормального функціонування.

Фосфор в своїх з'єднаннях может проявляти валентність Ш і Y. Найбільш стійкими з них яаляется з'єднання з валентністю Y, серед яких важливе біологічне значення мають солі ортофосфорної кислоти.

Фосфор називають «елементом життя і мислення», оскільки він грає істотну роль в обміні речовин і енергії. У вигляді фосфат-іонів, він входить в смоктав нуклеотидів, які є мономірні одиницями нуклеїнових кислот (РНК, ДНК). Нуклеїнові кислоти - це полімери, які забезпечують збереження і передачу спадкової інфоромаціі. Деякі нуклеотиди беруть участь в обміні речовин, виконуючи функцію коферментів.

Биоорганические молекули, які складаються з азотовмісних підстав і вуглеводу пентози, називають нуклеозидами. Нуклеозиди, взаємодіючи з фосфорною кислотою, утворюють моно-, ди-і тріаденозінфосфати (АМФ, АДФ, АТФ). Зв'язування фосфорної кислоти біоорганічними молекулами з утворенням їх ефірів або амідів називають біологічним фосфорелірованія, а освіту АТФ з АДФ і неорганічного фосфату отримало назву окислювального фосфорелирования.

Аденозінфосфати містяться в мітохондріях клітин і беруть участь в енергетичному обміні. Важлива роль належить молекулі АТФ, яка є джерелом і акумулятором енергії організму. В результаті гідролізу АТФ під дією ферменту АТФ-ази виділяється 30,5 кДж вільної енергії Гіббса на 1 моль кислоти, яка використовується для скорочення м'язів, біосинтезу білків і нуклеїнових кислот і мембранного транспорту.

Добре розчинні у воді неорганічні фосфати входять до складу фосфатної буферної системи, яка в комплексі з іншими буферними системами забезпечує постійне значення рН крові.

Фосфор є основним компонентом мінеральної основи кісткової тканини і зубів, а також зубної емалі.

В організмі міститься в середньому 650 г фосфатів, з них понад 80% знаходиться в скелеті, а решта у внутрішньоклітинної та позаклітинної рідинах. Добова норма організму у фосфорі составляет1,0 - 1,3 г. При його недоліку, особливо в комплексі з кальцієм і вітаміном D, розвивається рахіт.