Уникальность химического состава живых организмов

Мир вокруг нас велик и многообразен, он полон цветов, запахов и звуков. « все- от песчинок малых до планет – из элементов состоит единых» пишет С. Шипачев , но среди современных проблем, стоящих перед мировым сообществом, особенно выделяется одна – ухудшение качества среды обитания человека. Она носит глобальный характер и волнует людей всех стран. Рост загрязнения среды проявляется наглядно и вызывает критику, часто основные претензии населения обращены к химии. Например, многие катастрофы сопровождаются неконтролируемым распространением химических соединений технического и биологического происхождения. Химическое загрязнение природной среды отрицательно сказывается на жизнедеятельности биологических систем, но почему это происходит, ведь весь мир живой и неживой природы состоит из одних и тех же химических элементов. Как известно, в земных условиях стабильные изотопы образуют до 90 химических элементов, и большинство природных химических элементов обнаруживаются в организме человека. Многие химические элементы являются аналогами, т. к. имеют сходное химическое строение, находятся в одной группе периодической системе Д. И. Менделеева, образуют сходные по свойствам химического соединения, а металлы, образуя сплавы, заметно улучшают свои физические свойства, но в живой природе мы наблюдаем отрицательное влияние на жизнедеятельность биологических систем элементов- аналогов. Почему?

Цель нашего исследования :

1) выявить закономерность распространения химических элементов в живых организмах;

2) установить биологическую взаимозаменяемость химических элементов и последствий этого процесса для организмов.

Гипотеза: уникальность химического состава живых организмов обусловлена особенностью химии биогенных химических элементов.

Объект исследования: химический состав живой природы.

Предмет исследования: особенности химии биогенных химических элементов.

Задачи исследования:

1) Изучение особенностей химического состава живых организмов

2) Анализ характеристик биогенных химических элементов:C, H, O, N, P, Ca, K, Mg, Na

3) Уточнение закономерностей распределения химических элементов в живых организмах

4) Изучение явлений биологической взаимосвязи химических элементов в живых организмах и последствий этого процесса

5) Выводы по результатам исследования

Методы исследования:

✓ Теоретическое моделирование

✓ Анализ и синтез

Ход работы:

Химические элементы являются кирпичиками мироздания. Организм человека содержит около 70 элементов.

Из химических элементов, встречающихся в живой природе в существенных количествах, примерно половину составляют БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ или элементы- органогены. Они жизненно необходимы организмам. В свою очередь, биогенные элементы делят на макро- и микроэлементы.

Макроэлементы включают две группы: основные, из которых строятся биомолекулы клетки – белки, нуклеиновые кислоты, липиды и углеводороды, и другие. К макромолекулам относятся углерод, водород, азот, кислород, сера, фосфор, кальций, магний, натрий, калий, хлор.

Роль микроэлементов в жизни человека для одних из них доказана, для других вероятна. Главный критерий, по которому отличают макро- от микроэлементов – потребность организма в элементе.

Макро- и микроэлементы имеют и другие различительные особенности. Так, содержание макроэлементов в организме находится на постоянном уровне и даже случайные существенные отклонения от этого уровня не вызывают серьезных осложнений для жизни. Недостаток или избыток микроэлементов приводит к заболеваниям.

элемент Атомный номер Относительная атомная Радиус атома (Ao) Массовая доля в масса организме

C 6 12 0. 77 21%

O 8 16 0. 66 62. 4%

H 1 1 0. 46 9. 7%

N 7 14 0. 71 3. 1%

P 15 31 1. 3 0. 95%

S 16 32 1. 04 0. 16%

Ca 20 40 1. 97 1. 5%

K 19 39 2. 36 0. 35%

Na 11 23 1. 89 0. 15%

Mg 12 24 1. 6 0. 05%

Fe 26 56 1. 26 0. 006%

Zn 30 65 1. 39 0. 0027%

Cu 29 63 1. 28 2*10-4%

Mn 25 55 1. 3 3*10-5%

Mo 42 96 1. 39 2*10-5%

Co 27 59 1. 25 4*10-6%

Объясняя причину того, что основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов (H, C N, O, P, S), на долю которых приходится 98% массы живого вещества (остальные элементы периодической системы составляют не более 2%), следует указать три основных критерия, по которым формируются причины происходящих в живой природе процессов, напрямик связанных с экологическими проблемами: 1)малый размер атомов; 2)небольшая относительная атомная масса; 3)способность образовывать прочные ковалентные одинарные и кратные связи. Для молекул живой клетки последнее обстоятельство имеет первостепенное значение, поскольку в основе всех биохимических реакций лежит процесс разрыва одних связей и образование других. Что же касается водорода, то этот элемент образует химические связи со всеми остальными пятью элементами. Так, прочно соединяясь с углеродным скелетом, водород создает более или менее однородную по свойствам внешнюю часть органических молекул, поэтому они слабо притягиваются друг к другу и активно участвуют в обменных процессах. Водородные связи обусловливают уникальные свойства воды, ее растворяющую способность, удерживают в устойчивом положении вторичную (спиральную) структуру молекулы белка. В живом веществе на долю водорода приходится 10%.

Химическое загрязнение природной среды отрицательно сказывается на жизнедеятельности биологических систем, как человека, так и всего живого мира, поэтому важно знать ряд закономерностей, позволяющих предположить реакцию организмов на изменение качественного состава внешней среды, возможные негативные процессы, влекущие за собой болезни или даже гибель особи. Эти закономерности касаются распространения элементов в природе, концентрации их в живых организмах, доли участия в обмене веществ (метаболизме), проявления токсичности и конкурентных отношений. Перечислим их:

1) Элементы с четными атомными номерами распространены в природе несколько больше, чем элементы с нечетными атомными номерами.

2) Распространенность в природе близких по свойствам элементов обычно убывает с ростом их относительных атомных масс.

3) Количественное содержание элементов в живом веществе находится в обратно пропорциональной зависимости от величины их относительных атомных масс.

Таблица 1

Химический элемент Относительная атомная масса Содержание в организме в %

Mg 24 10-2 (в растениях)

Ca 40 10-2(у животных)

Zn 65 10-3

Sr 87 10-3

Cd 112 10-4

Ba 137 10-5

Hg 201 10-6

Ra 226 10-12

4) Чем выше температура плавления и плотность металла, тем реже элемент встречается в природе.

5) С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе. А следовательно, и в живом организме и уменьшается доля их участия в обмене веществ ( в метаболизме).

6) С увеличением атомного номера, относительной атомной массы и радиуса атома (в группах, подгруппах) возрастает токсичность элементов ( в соединениях, а для некоторых элементов и в виде простых веществ, например для ртути: ее пары ядовиты).

Сравним биологические функции химического элемента магния с его аналогами по группе в периодической системе (II группа): барий, цинк, ртуть.

Таблица 2

Элемент Относительная атомная масса Радиус атома (Ао)

Магний 24,4 1,6

Барий 137,3 1,13

Цинк 65,4 1,39

Ртуть 200,6 1,6

Кадмий 112,4 1,56

Из таблицы 2 видно, что относительная атомная масса магния в 5,6 раза меньше, чем масса бария и в 8,2 раза - меньше массы ртути.

Химический элемент магний- это макроэлемент, участвующий в образовании костной ткани животных и человека, хлорофилла растений, в белковом обмене, регулирующий кровяное давление. Магний необходим для образования структуры и нормальной функции митохондрий («энергетических станций» живой клетки).

Элемент этой же подгруппы - барий даже в небольших количествах опасен для организма. Водорастворимые соли бария - хлорид, нитрат, карбонат, сульфид - очень ядовиты. При остром отравлении ими поражается нервная система, сосуды, а при хроническом - костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор, что приводит к нарушению кальциевого обмена и тяжелому поражению костной ткани (размягчению костей).

Элемент II Б группы цинк - незаменимый для живых организмов микроэлемент. Он входит в состав ферментов, влияет на рост растений и животных (недостаток вызывает карликовость), участвует в анаэробном дыхании растений (спиртовое брожение), в транспорте углекислого газа в крови позвоночных, разрушении пептидных связей при переваривании (гидролизе) белков.

В то же время содержание кадмия и ртути, элементов той же подгруппы, в живом организме минимально. В небольших концентрациях кадмий необходим, поскольку регулирует содержание сахара в крови. Но при избытке кадмий проявляет канцерогенные свойства. Кадмий попадает в биосферу с минеральными удобрениями ( входит в состав суперфосфата) и фунгицидами (противогрибковыми препаратами), при сжигании мусора, содержащего изделия из пластмассы. В легкие человека, выкурившего одну сигарету, попадает 1-2 мкг кадмия, 25% от этого вещества остается в организме.

Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент снижает активность пищеварительных ферментов, угнетет синтез гликогена в печени, влияет на углеводный обмен, вызывает декальцификацию скелета, приводящую к его деформации, угнетению роста костей, тяжелым болям в пояснице и в мышцах ног, к хрупкости костей (например, перелом ребер при кашле), рак легких и прямой кишки, нарушает функцию поджелудочной железы, развивает поражение почек, снижает в крови содержание железа, кальция, фосфора. Этот элемент тормозит процессы самоочищения в природных водоемах.

Гипотетически ионы ртути в ультрамикроколичествах участвуют в синтезе простых белков и передаче наследственной информации. В то же время в повышенных дозах они разрушают белковые молекулы, образуя с ними устойчивые соединения, вызывают расстройства нервной системы, снижают работу сердца, угнетают синтез фитопланктона.

Таблица 3

Элемент Относительная атомная масса Радиус атома (Ао) Заряд ядра

Бор 10,81 0,91 +5

Галлий 69,7 1,39 +31

Таллий 204,37 1,71 +81

При анализе элементов подгруппы III A группы (таблица 3) отмечаем, что бор входит в число обязательных для организма микроэлементов (содержание его составляет 10-3 %). Этот элемент положительно влияет на рост растений, процессы дыхания, углеводный обмен. Недостаток его приводит к отмиранию у растений точек роста стеблей и корней. Сравнивая строение бора со строением других элементов этой подгруппы - галлием и таллием, можем сделать предположение о том, что с увеличением заряда ядра и относительной атомной массы элементов содержание последних в растительных и животных организмах должно значительно понизиться. Это предположение можно подтвердить количественными данными: концентрация галлия в организме человека составляет 10-6 %, а для таллия (сильный яд) эта величина равна 10-12%.

Таблица 4

Элемент Относительная атомная масса Радиус атома (Ао) Заряд атома

Углерод 12,011 0,77 +6

Свинец 207,2 1,75 +82

Аналогичную зависимость токсичности химического элемента мы наблюдаем при сравнении элементов IV A группы (таблица 4).

Углерод - основа жизни (концентрация его в организме человека – 10%), а свинца (10-6-10-12%) его соединения - яды, вызывающие рак почек и желудочно-кишечного тракта, препятствующие газообмену у рыб (уплотняют слизь, покрывающую жабры). Наличие свинца в природной среде связано с применением его в промышленности в технологических целях. Основной вид использования свинца, при котором он широко рассеивается,- производство и применение алкилсвинцовых присадок (тетраэтилсвинец) к топливу.

Существует гипотеза о том, что полководцев погубила домашняя утварь и водопровод, изготовленный из свинца. Значительные дозы этого металла попадали в их организмы вместе с пищей и водой и там накапливались. Хроническое свинцовое отравление сказывалось, прежде всего, на угнетении функций центральной нервной системы: ослабевала воля. Снижалась быстрота реакций, утрачивалась способность принимать верные решения и т. п.

По данным литохимической съёмки территории города Братска отмечено наличие повышенных концентраций свинца в районе БЛПК, БрАЗа, поселка Энергетик и поселка Осиновка.

Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкуренцию и могут взаимозаменяться в живых организмах, оказывая тем самым влияние на структуру биомолекул, их биохимическую активность, на биохимические процессы.

Примерами конкурентных пар, возникающих при загрязнении природной среды, могут служить: Ca-Ba, Zn-Hg, Fe-Ni (Co), S-Se, Ni-Cd, Zn-Cd, Al-Ca, Al-Fe, Mg-Mn, K-Ti, Ca-Sr, Ni-Co, все галогены между собой.

Сведения о биологической взаимозаменяемости химических элементов иллюстрирует зависимость химических свойств элементов, их биологической роли от строения атомов.

Так, замена натрия или калия в организмах животных и человека на литий вызывает расстройство нервной системы, так как в этом случае изменяется разность потенциалов на клеточных мембранах, и клетки не проводят нервный импульс. Подобные нарушения приводят к шизофрении.

Почвенно-литохимическая съёмка города Братска, проведенная в 2007 году Геоэкоцентром БФ « Сосновгеология» выявила, что в таежной зоне между поселком Падун и Центральным районом города Братска наблюдается небольшое превышение содержания в почве лития – 32 мг/кг (ПДК 30 мг/кг).

Таллий - биологический конкурент галлия, заменяет его в клеточных мембранах, поражает центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки.

Аналог серы - селен. Их содержание в животном организме соответственно 10-2 и

10-5 %. Селен - единственный элемент, который при высоком содержании в растениях может вызвать внезапную смерть животных и человека, употреблявших их в пищу. Селен замещает серу в аминокислотах, белках, эфирных маслах. Такая взаимозаменяемость наблюдается всегда при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании (при загрязнении среды) других. Этот процесс объясняется прежде всего аналогичным строением атомов элементов, сходными химическими свойствами и близкими величинами радиусов ионов (таблица 5).

Таблица 5

Элемент Относительная атомная масса Радиус атома (Ао) Заряд атома

Сера 32,06 1,04 +16

Селен 78,96 1,6 +34

Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме человека на стронций. Ионы стронция настолько близки по характеристикам к ионам кальция, что включается в обмен веществ вместе с ними, но, обладая большей скоростью обмена и значительно отличаясь по размеру, они постепенно нарушают нормальную кальцификацию скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, в огромных количествах накапливающийся в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.

Галогены как элементы- аналоги очень легко могут взаимозаменяться в организме.

Таблица 6

Элемент Относительная атомная масса Радиус атома (Ао) Заряд атома

Фтор 18,99 0,71 +9

Йод 126,9 1,33 +53

Избыток фтора в организме человека (фторированная вода, загрязнение почвы соединениями фтора вокруг предприятия по производству алюминия и другие причины) препятствует поступлению в него йода. В связи с этим возникает заболевание щитовидной железы, эндокринной системы в целом.

По данным Геоэкоцентра БФ «Сосновгеология» наиболее широкие и интенсивные загрязнения почв города Братска отмечается по фтору. Этот элемент широко проявлен в выбросах в атмосферу БрАЗа. Уровень загрязнения достигает 4,6 ПДК.

Вывод: в ходе исследования мы убедились, что уникальность химического состава живой природы обусловлена химическим строением биогенных химических элементов: зарядом атомного ядра, массы атома и его радиусом. Количественное содержание химических элементов в живом веществе находится в обратно пропорциональной зависимости от величины их относительных атомных масс, радиусов атомов и зарядов их атомных ядер. Взаимозаменяемость химических элементов, которая наблюдается при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании других (например, при загрязнении окружающей среды) приводит к нарушению биологических функций живых организмов.

Проведенное исследование позволило взглянуть на проблемы загрязнения окружающей среды сквозь призму химических знаний и убедила нас, что для глубокого понимания современной экологической ситуации (как на всей планете, Так и региональном, местном масштабе) человеку необходимы знания химических основ этой ситуации.