БОЛГОВА И.В.,
ШАПОШНИКОВА И.А.,
ФАНДО Р.А.
Продолжение. См. № 3/2008
Таблица Менделеева в живых организмах
Азот
Азот – биоэлемент, структурная единица
органических соединений, участвует в построении
организмов и обеспечении их жизнедеятельности.
Входит в состав важнейших биополимеров: белков,
нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); некоторых
витаминов и гормонов. В воздухе азота содержится
78% по объему и 75,5% по массе.
Роль в жизни бактерий, грибов и растений
Азотфиксирующие бактерии способны
усваивать азот непосредственно из воздуха,
превращая его в аммиак. Они живут самостоятельно,
например азотобактер, цианобактерии,
азоспириллы, или поселяются в корнях бобовых
растений (клевер, горох, люпин, вика и др.) –
бактерии рода ризобиум. Над 1 га почвы в атмосфере
содержится более 70 тыс. т свободного азота, и
только в результате азотфиксации часть этого
азота становится доступной для питания высших
растений (содержание доступного для растения
азота в почве очень невелико). При связывании N2
клубеньковыми бактериями в симбиозе с
растениями семейства бобовых почва ежегодно
обогащается азотом на 200–300 кг/га, а
свободноживущие бактерии вносят в почву азота
1–3 кг/га в год. На рисовых полях свободноживущие
цианобактерии фиксируют 30–50 кг молекулярного
азота на 1 га в год. Известно довольно много
азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты,
дрожжевые и плесневые грибы, синезеленые
водоросли.
Почвенные нитрифицирующие бактерии
(нитрозомонас, нитробактер) окисляют аммиак (NH3),
образующийся при гниении органических остатков,
до азотной кислоты и нитратов. Процесс окисления
идет в два этапа (образование нитритов NO2–,
а затем нитратов NO3–):
1. Нитрозомонас: 2NH3 + 3O2 ––>
2HNO2 + 2H2O + энергия.
2. Нитробактер: 2HNO2 + O2 ––>
2HNO3 + энергия.
Некоторые бактерии (родов псевдомонас,
алкалигенес, бациллус и др.) восстанавливают
окисленные соединения азота (нитраты, нитриты) до
газообразных продуктов (обычно до N2, иногда
до оксида азота (I) N2O, редко – оксида азота
(II) NO). Денитрификация препятствует накоплению
оксидов азота, которые в высоких концентрациях
токсичны.
Растения поглощают азот из почвы в виде
растворимых нитратов и солей аммония (NH4+).
Соли транспортируются в стебли и листья, где в
процессе биосинтеза очень быстро превращаются в
аминокислоты и белки – неотъемлемую часть
любого живого организма.
Азот составляет 0,3–4,5% от массы растения.
Он усиливает рост стеблей и листьев. При
недостатке азота замедляется рост растения,
образование хлорофилла, листья приобретают
бледно-зеленую окраску и преждевременно желтеют,
стебли становятся тонкими и слабо ветвятся,
вновь образующиеся листья мельчают, цветки, не
раскрываясь, засыхают и опадают. При длительном
азотном голодании бледно-зеленые листья
приобретают желтый, оранжевый или красный
оттенки.
Существуют растения-индикаторы, которые
великолепно растут при повышенном содержании
азота в почве. Это хорошо знакомые нам крапива,
малина, чистотел, пырей ползучий.
Роль в жизни животных и человека
Животные и человек получают азот в виде
белков и других азотсодержащих продуктов из
растений и животных. В животном организме
содержится 1–10% азота (по массе), в шерсти и рогах
– около 15%.
Азот необходим для процессов обмена
веществ. Все важнейшие части клеток (цитоплазма,
ядро, оболочка и др.) построены из белковых
молекул.
Белки – необходимая составная часть
питания человека и животных. В
желудочно-кишечном тракте они расщепляются и
всасываются в виде аминокислот и
низкомолекулярных пептидов, из которых организм
строит свои собственные аминокислоты и белки.
Некоторые необходимые для жизни аминокислоты
(так называемые незаменимые аминокислоты: валин,
лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин,
триптофан, лизин, аргинин, гистидин, метионин)
организм человека синтезировать не способен и
получает их с пищей в «готовом» виде.
Физиологическая роль азота в организме
связана прежде всего с белками и аминокислотами,
их метаболизмом, участием в жизненно важных
процессах. Аминокислоты являются исходными
соединениями при биосинтезе гормонов, витаминов,
пигментов и других веществ.
Из организма азот выводится вместе с
мочой, калом, выдыхаемым воздухом, а также с
потом, слюной и волосами.
Отсутствие или недостаток соединений
азота в пище вызывает серьезные заболевания.
Избыток их токсичен для живого организма.
Основные источники поступления в
организм
Продукты животного происхождения: мясо,
рыба, птица, молоко и молочные продукты. Продукты
растительного происхождения: горох, соя,
чечевица, орехи, грибы.
Наиболее распространенные соединения
N2 – азот.
NH4Сl – хлорид аммония.
NH4ОН – гидроксид аммония, нашатырный
спирт.
NaNO2 – нитрит натрия.
Знаете ли вы, что…
Азот открыт Д.Резерфордом в 1772 г.
Название азот переводится как
«безжизненный» (от греч. а – отрицание и зое –
жизнь), латин-
ское название «нитрогениум» происходит от греч.
нитрон – селитра и генес – род, происхождение.
Селитрами называют азотные удобрения:
NaNO3 – натриевая (чилийская),
KNO3 – калиевая (индийская),
Ca(NO3)2 – кальциевая (норвежская),
NH4NO3 – аммиачная.
Число атомов азота во всем теле
человека 9,1х 1025, а в одной клетке – 9,1 х 1011.
В организме человека массой 70 кг
содержится примерно 1,8 кг азота.
Содержание азота в крови составляет 3077
мг/л, в волосах – 140 000–157 000 мг/кг, а в ногтях – 146
000–148 000 мг/кг.
Суточное потребление азота с
продуктами питания составляет 13–16 г.
Нашатырный спирт – 3–10% водный раствор
аммиака – используется для возбуждения
сердечной деятельности и центра дыхания. NH4Сl,
хлорид аммония, – отхаркивающее средство. NH2Сl,
моно-хлорамин, – дезинфицирующее средство. N2О
оксид азота (I) в смеси c O2 кислородом
применяется для газового наркоза. NaNO2,
нитрит натрия, – спазмолитическое средство.
В состав белков всех живых организмов
входят только 20 аминокислот, хотя в природе их
известно около 180, причем 10 из них являются
незаменимыми для человека и должны обязательно
поступать в организм с животной и растительной
пищей.
Химическая формула аминокислоты:
где
–R – радикал, по которому различаются
все аминокислоты,
–N2H – основная аминогруппа,
–COOH – кислотная карбоксильная группа.
Углерод
Углерод – биоэлемент, структурная
единица всех органических соединений,
участвующих в построении организмов и
обеспечении их жизнедеятельности, – белков,
углеводов, липидов, нуклеиновых кислот,
витаминов, гормонов. Все живое, составляющее
биосферу, построено из соединений углерода.
Роль в жизни растений
Углерод составляет в среднем 45% от массы
растения: у водных растений его содержание
доходит до 40%, у наземных – до 46%. В ряске,
затягивающей стоячий пруд, 2,5% углерода (по массе),
а в более высокоорганизованном колокольчике –
10,2% (по массе).
Углерод входит в состав углекислого газа
атмосферы. В процессе фотосинтеза из углекислого
газа, который растения поглощают из воздуха, и
воды, под действием света образуются
органические вещества – глюкоза, крахмал и др. По
пищевым цепям готовые органические вещества
передаются от растений животным. При окислении
углеводов выделяется необходимая энергия.
Роль в жизни животных и человека
В организме животных и человека на
углерод приходится около 21% по массе. В составе
карбоната кальция (СаСО3) углерод образует
наружный скелет многих беспозвоночных,
содержится в кораллах, яичной скорлупе. Углерод
составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани.
Углеродсодержащие соединения – носители жизни:
белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты,
витамины и др. Углерод необходим для процессов
обмена веществ. В процессе жизнедеятельности
организмов происходит окислительный распад
органических соединений с выделением во внешнюю
среду углекислого газа СО2. Этот газ,
растворенный в биологических жидкостях и
природных водах, участвует в поддержании
оптимальной для жизнедеятельности кислотности
среды.
Наиболее распространенные соединения
СО2 – оксид углерода (IV),
углекислый газ.
H2CO3 – угольная кислота.
СаСО3 – карбонат кальция.
С6Н12О6 – глюкоза.
Знаете ли вы, что…
История знакомства человечества с
углеродом уходит далеко в глубь веков.
Неизвестно, кто открыл углерод, неизвестно, какая
из форм чистого углерода – графит или алмаз –
была открыта раньше. Углерод – основная часть
каменного угля (99%), бурого (72%), торфа (57%). Русское
название происходит от слов – рождающий уголь,
от лат. – карбонис (род. падеж карбо –
древесный уголь).
В организме человека массой 70 кг
содержится 15 кг углерода.
В 1 л крови человека содержится 25 000 мг
углерода, а в 1 кг костной ткани – 280 000 мг.
В сутки в организм человека поступает
вместе с воздухом около 3,7 г углерода, а с
продуктами питания – около 300 г.
В медицине используются производные
угольной кислоты H2CO3 и карбоновых
кислот; карболен (активированный уголь) – для
абсорбции газов и выведения из организма
различных токсинов, графит (в виде мазей) – для
лечения кожных заболеваний и др.
Химическая формула глюкозы – С6Н12О6.
Уравнение фотосинтеза: 6СО2+6Н2О
––> С6Н12О6 + 6О2.
Уравнение окисления глюкозы: С6Н12О6
+ 6О2 ––> 6СО2 + 6Н2О + 38 АТФ.
Древние деревья, папоротники, мхи
превратились в топливо, содержащее углерод, –
каменный уголь, торф.
Фосфор
Роль в жизни растений
Фосфор входит в состав важнейших
веществ клеток: ДНК и РНК, фосфолипидов (сложных
эфиров глицерина, жирных кислот и фосфорной
кислоты), сахарофосфатов (фосфорных эфиров
сахаров), участвующих в фотосинтезе; АТФ –
универсального энергетического вещества клетки.
Фосфор составляет 0,1–0,7% от массы
растения. Из почвы, где фосфора содержится 800
мг/кг, растения получают его в виде солей в
процессе корневого питания. Мировой урожай
ежегодно уносит с полей более 3 млн т фосфора.
Фосфор ускоряет созревание плодов и
повышает хладостойкость растений. При его
недостатке замедляется обмен веществ в клетках,
образуются слабые корни, пурпурные листья,
задерживается созревание, снижается
урожайность, происходит накопление пигмента
антоцианина. На фоне зеленой окраски хлорофилла
красная и лиловая окраски придают листьям
голубоватый оттенок, а при сильном преобладании
пигмента они становятся лиловыми. Кроме того, все
части растения, содержащие мало хлорофилла –
стебли, черешки, жилки, нижняя поверхность
листьев, – окрашиваются в красноватые и лиловые
цвета.
Роль в жизни животных и человека
В организме животных фосфор составляет
в среднем 0,95% по массе. В организме человека
содержится около 4,5 кг фосфора, чаще всего в
соединении с кальцием. Из этого количества около
4,4 кг приходится на кости, около 130 г на мышцы и 12 г
– на нервы и мозг, много фосфора содержится в
крови и молоке.
Фосфор входит в состав липидов, ДНК, РНК, АТФ.
Почти все важнейшие физиологические процессы
человека и животных связаны с превращением
фосфорсодержащих веществ: построение клеточных
мембран, образование костей, поглощение и
перенос глюкозы, глицерола и жирных кислот,
энергетический метаболизм, кислотно-щелочное
равновесие.
Для организма человека фосфора
необходимо почти вдвое больше, чем кальция, хотя
кальций и фосфор – «неразлучные» минеральные
вещества, они не могут друг без друга. Фосфор, так
же как и кальций, является составной частью
костной ткани. Зубная эмаль – это соединение
фосфора, близкое по составу и кристаллическому
строению важнейшему минералу фосфора –
гидроксиапатиту Ca5ОН(PO4)3. Если
нарушается баланс фосфора и кальция, организм
для своего «выживания» вынужден брать кальций из
«костного запаса»: зубов, ногтей, крупных
суставов.
В активно работающих органах – печени,
мышцах, мозге – наиболее интенсивно расходуется
АТФ. Фосфорсодержащий фермент фосфорилаза
катализирует реакции, связанные с
использованием запасных углеводов и,
следовательно, обеспечивает клетки энергией. В
процессе окисления углеводов в ткани мозга
важную роль играют дифосфопиридиннуклеотид и
неорганический фосфат. Поэтому академик А.Е.
Ферсман назвал фосфор «элементом жизни и мысли».
Суточная потребность в фосфоре составляет 1,3 г.
Из организма фосфор выводится с мочой и калом.
Основные источники поступления в
организм
Овощи: зеленый горошек, шпинат, бобы,
чечевица, огурцы, цветная капуста, соя, редис,
сельдерей, оливки. Злаки: овес, рожь, ячмень,
пророщенная пшеница, цельные зерна пшеницы.
Фрукты: яблоки, груши. Орехи: арахис, грецкие,
кешью. Продукты животного происхождения: мясо,
яйца, сыр, рыба (сардины, лосось), креветки, печень
трески. Грибы.
Наиболее распространенные соединения
Р4 – белый фосфор.
Рn – красный фосфор.
Н3РО4 – ортофосфорная кислота.
Знаете ли вы, что…
Открыт фосфор в 1669 г. немецким
алхимиком из Гамбурга Х.Брандом. При перегонке
сухого остатка от выпаривания мочи Бранд заметил
зеленоватое свечение, отсюда название элемента фосфорос
– светящийся в темноте: от греч. фос – свет и форос
– несущий.
В теле человека 1,4 х 1025 атомов
фосфора, а в одной человеческой клетке – 1,4 х 1011.
В сутки с продуктами питания в организм
человека поступает 1000–3000 мг фосфора.
Различные соединения фосфора входят в
состав лекарственных препаратов для лечения
заболеваний сердца, печени, желудка; фосфаты
цинка используются как пломбировочный материал
в стоматологии.
При изготовлении спичек массу,
наносимую на спичечную головку, готовят из смеси
красного фосфора Рn (состоит из
полимерных молекул), горючих веществ,
бертолетовой соли KClO3 и катализаторов (МnО2,
Fе2О3).
Белый фосфор окисляется на воздухе,
давая зеленое свечение в темноте. Он применяется
в производстве фосфорной кислоты и красного
фосфора, как реагент в органических синтезах,
раскислитель сплавов, зажигательное средство.
Белый фосфор чрезвычайно ядовит, опасная для
жизни доза – более 50 мг.
Калий
Роль калия в жизни растений
Калия в растениях содержится в среднем
0,3 % по массе, причем, почти весь в ионной форме.
Часть находится в клеточном соке, часть – в
структурных элементах клетки (главным образом в
протоплазме). В ядре ионы калия не обнаружены,
значит, в процессах размножения и в передаче
наследственных признаков калий не участвует.
Роль калия в жизни растений велика и
многообразна. Калий содержится в плодах, корнях,
стеблях, листьях, причем в вегетативных органах
его, как правило, больше, чем в плодах. В молодых
растениях калия больше, чем в старых. Он
активизирует синтез органических веществ в
растительных клетках. Регулирует транспорт
углерода в растении, в результате в ягодах и
плодах при созревании увеличивается количество
сахара. Хорошая обеспеченность растений калием
усиливает рост корней, луковиц и клубней,
повышает их зимостойкость. Он способствует
поддержанию водного баланса растений, влияет на
азотный обмен.
При недостатке калия в клетках
накапливается избыток аммиака, что может
привести к гибели растения, замедляется процесс
фотосинтеза, дыхания и растяжения клеток, что
вызывает гибель ростового кончика, нарушается
окраска листьев (краевой ожог-запал) и даже их
опадение. При недостатке калия плоды растений
(фрукты) становятся менее сладкими, зерно у
злаков – щуплое и невсхожее. Отсутствие калия
приводит растение к гибели.
Роль в жизни животных и человека
В организме животных калия примерно 0,25–0,27% (по
весу). Калий вместе с натрием создает
трансмембранный потенциал клеток и обеспечивает
возбудимость клеточной мембраны, что
достигается за счет разности концентраций ионов
Na+ и K+: внутри клетки больше K+,
снаружи больше Na+. Входит также в состав
натрий-калиевого насоса, особого белка (порового
комплекса), пронизывающего всю толщу мембраны,
выкачивающего из клетки ионы
натрия и закачивающего в нее ионы калия.
Калий влияет на солевой и кислотный баланс крови,
функционирование нервов и мышц (особенно
сердечной), образование гликогена, синтез белков,
способствуют выделению из организма воды.
В организме человека масой 70 кг
содержится 140 г калия. Взрослый человек должен в
сутки потреблять с пищей 2–3 мг на 1 кг веса, а
ребенок 12–13 мг на 1 кг веса. Организм ребенка, как
и молодое растение, требует больше калия, чем
организм взрослого. Калий способствует
выделению натрия и тем самым устраняет отеки,
помогает при ревматизме, улучшает работу
кишечника. Недостаток калия ведет к заболеваниям
глаз, плохой памяти, пародонтозу. Выводится калий
из организма с мочой, калом и потом.
Основные источники поступления в
организм
Овощи: шпинат, огурцы, картофель, горох,
соя, фасоль, морковь, лук, салат-латук, петрушка,
спаржа, хрен, одуванчик, чеснок. Фрукты: черная
смородина, чернослив, изюм и др. Мясо.
Наиболее распространенные соединения
КОН – гидроксид калия, едкий калий.
КСl – хлорид калия.
К2SО4 – сульфат калия.
Знаете ли вы, что…
Калий впервые получен английским
химиком и физиком Г.Дэви при электролизе едкого
калия КОН в 1807 г. Название получил от арабского
алкали – «щелочь, зола».
Число атомов калия в организме
человека 2,2 х 1024, а в одной клетке – 2,2 х 1010.
Соли калия применяются в качестве
мочегонных и слабительных средств.
Сердечникам, в первую очередь людям,
перенесшим инфаркт миокарда, для восполнения
потерь калия в организме настоятельно
рекомендуют есть курагу, т.к. в 100 г кураги до 2 г
калия.
Недостаток калия в почве восполняется
калийными удобрениями: хлоридом калия (КСl),
сульфатом калия (К2SО4) и золой
растений.
Соли калия окрашивают пламя в
фиолетовый цвет, и их используют в
пиротехнических составах для фейерверков.
Продолжение следует
|