Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 33. Біологічне значення металічних елементів

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • оцінити біологічне значення металічних елементів - Кальцію, Калію, Натрію, Магнію, Феруму.

Біологічне значення металічних елементів складно переоцінити. Ви вже мали нагоду пересвідчитися в цьому на уроках біології та під час опрацювання параграфа 15.

За діаграмою, зображеною на рисунку 15.4, схарактеризуйте вміст Кальцію, Калію, Натрію, Магнію, Феруму в організмі людини.

Кальцій - важливий для всіх форм життя хімічний елемент. Уміст його в людському організмі такий: масова частка в тілі людини - близько 1,4 %, уміст у крові - 90 мг/л; у кістковій тканині - 17 %, у м’язовій - 0,14-0,07 %.

Кальцій є основним елементом кісткової тканини (Са5(ОН)(РО4)3, СаСО3) та зубів (Ca5F(PO4)3), підсилює їхню міцність. Він сприяє відновленню клітин усього організму, тому що є складником їхніх ядер, клітинних і тканинних рідин, забезпечує «злипання» клітин під час утворення тканин. Цей хімічний елемент забезпечує проникність базальних мембран епітелію, потрібен для роботи м’язів і кровотворення, бере участь у регулюванні й порушенні роботи серця, передаванні нервового імпульсу та м’язових скороченнях. Без Кальцію неможливе нормальне зсідання крові. Він забезпечує правильну роботу ендокринних залоз, підвищує стійкість організму до інфекцій, нейтралізує шкідливі для організму кислоти, впливає на засвоєння організмом їжі. Обмін Кальцію тісно пов’язаний з обміном Фосфору, Стронцію, Магнію (поміркуйте й поясніть чому).

Джерела Кальцію: молочні продукти (особливо сири), горіхи, сардини, лосось, буряк, квасоля, цибуля, шпинат та інші листкові овочі, брусниця, аґрус, яйця, гречана та вівсяна крупи, насіння соняшнику, родзинки, абрикоси, кунжут, савойська капуста та броколі (рис. 33.1).

Рис. 33.1. Харчові продукти - джерела Кальцію

Важливо, що Кальцій майже не втрачається під час кулінарного оброблення харчових продуктів, однак здатний «вимиватися» з кісткової тканини (до 700 мг на добу). Добова потреба в Кальції становить від 800 мг до 1 г у дітей віком до 7 років, 1,4 г - в осіб до 18 років, 1,5-2 г - у вагітних і під час грудного вигодовування немовлят. Потреба в Кальції зростає за підвищеного потовиділення, під час тривалого вживання гормональних засобів, у разі захворювань крові, кишечника, нирок, ендокринних залоз, за алергічних станів.

Нестача Кальцію може бути причиною важких нервових розладів, судом, підвищеної збудливості; розм’якшення кісток (рахіт), остеопорозу; захворювань паращитоподібної, щитоподібної та надниркових залоз. Надлишок може зумовлювати сечокам’яну хворобу, гіперкальціємію, що супроводжується безпричинною нудотою, спрагою, втратою апетиту, частим сечовипусканням й судомами. Можливе утворення сечових і жовчних каменів, пухлин легень і молочних залоз.

Цей хімічний елемент нетоксичний, його засвоєнню сприяють вітамін D та продукти, що створюють кисле середовище в кишечнику (наведіть приклади). Перешкоджають засвоєнню Кальцію надлишок Фосфору, Магнію, Феруму, продукти з високим умістом жирів, смажене м’ясо, злаки, щавель, шпинат, какао, висівки тощо.

Калій, так само як і Кальцій, є важливим для всіх форм життя хімічним елементом. Його вміст у людському організмі становить близько 140 г, уміст у крові - 1620 мг/л, масова частка в кістковій тканині - 0,21 %; у м’язовій - 1,6 %. Катіони Калію містяться в усіх клітинах і фізіологічних рідинах організму в складі солей та органічних сполук складної будови. Вони регулюють кислотно-лужну рівновагу крові, водно-сольовий баланс організму, беруть участь у вуглеводному обміні та синтезі білків. Калій потрібен для нормальної роботи м’язових клітин, нервової системи. Він бере участь у передаванні нервового та м’язового імпульсу, у підтриманні нормального ритму скорочень серця, тонусу мускулатури, у регулюванні кров’яного тиску, ступеня кислотності шлункового соку тощо. Калій активізує роботу низки ферментів, має сечогінну дію та протидіє надлишку Натрію.

Джерелами Калію є горіхи, морська капуста, мед, листкові овочі, яблука, сухофрукти, горох, оливи, фініки, печена картопля, банани, апельсиновий і томатний соки (рис. 33.2). Добова потреба людини в Калії становить 2-2,7 г й за інтелектуального навантаження зростає до 5 г.

Рис. 33.2. Харчові продукти - джерела Калію

Нестача Калію може призвести до порушень серцево-судинної діяльності (аритмії), підвищення рівня холестерину, виникнення загальної слабкості й нервозності, високої утомлюваності та безсоння, м’язової слабкості, судом, спраги й непереносимості цукру, сухості шкіри, вугрового сипу, закрепів. Надлишок цього елемента може зумовити порушення серцево-судинної діяльності; м’язову слабкість, «калієве гальмування», сплутане мислення, труднощі з вимовлянням. Токсична доза становить 6 г; летальна - 14 г.

Натрій - важливий для більшості форм життя хімічний елемент. Уміст його в людському організмі становить близько 100 г, уміст у крові - 1970 мг/л, масова частка в кістковій тканині - 1 %; у м’язовій - 0,26-0,78 %.

Катіони Натрію беруть участь у підтриманні осмотичного тиску крові, регуляції кров’яного тиску, діяльності нервової та м’язової тканин (передавання імпульсу), активному транспорті мембран (K/Na-насос). Солі натрію (NaH2PO4, NaHPO4, NaHCO3) входять до складу буферних систем крові та сприяють підтриманню сталості вмісту катіонів Гідрогену (pH). Йони Натрію активізують травні ферменти, затримують воду в організмі, беруть участь у транспортуванні амінокислот і цукрів. Вони нівелюють дію катіонів Калію.

Джерелами катіонів Натрію є кухонна сіль, вода, м’ясні, рибні, овочеві консерви, соєвий соус, житній хліб тощо. Більше інформації про вміст Натрію в овочах і фруктах ви дістанете, проаналізувавши рисунок 33.3 (зробіть це). Добова потреба людини в цьому хімічному елементі - близько 1,0-1,5 г - зростає вдвічі за сильного потовиділення (поясніть чому).

Рис. 33.3. Овочі та фрукти, багаті на Натрій: 1 - яблука; 2 - авокадо; 3 - манго; 4 - папая; 5 - ананас; 6 - банани; 7 - морква; 8 - редька; 9 - болгарський перець; 10 - томати; 11 - капуста; 12 - огірки

Нестача Натрію в організмі може призводити до втрати апетиту та смаку, хронічного проносу, судом, спазмів, нервових розладів, шкірних висипок, м’язової слабкості, погіршення пам’яті, частих інфекційних захворювань.

Натрій нетоксичний, однак його надлишок спричиняє спрагу, сприяє розвитку гіпертонічної хвороби, інтенсифікації склеротичних процесів, виникненню хвороб нирок (набряки, камені) тощо.

Магній - хімічний елемент, важливий для деяких форм життя. Уміст у людському організмі становить близько 19-25 г, уміст у крові - 37,8 мг/л. Масова частка в кістковій тканині - (7-18) · 10-2 %, у м’язовій - 9 · 10-2 %. Магній міститься у крові та тканинах, переважно у внутрішньоклітинній речовині. Він є складником низки ферментів, які беруть участь у вуглеводному та фосфорному обміні, у підтриманні сталої температури тіла, в утворенні білків. Цей хімічний елемент підтримує здорову мінеральну структуру кісток, бере участь у проведенні імпульсу від нервів до м’язів, активує ДНК-полімеразу, підвищує опірність інфекціям, беручи участь у виробленні інтегринів («клейких» молекул), які допомагають імунним клітинам «приклеїтися» саме там, де це потрібно. Він стимулює перистальтику кишечнику, сприяє виведенню жовчі та холестерину з нього. Магній частково є антагоністом Кальцію, пригнічує діяльність центральної нервової системи, знижує її збудливість, посилює процеси гальмування. Він має антисептичну та судинорозширювальну дію, знижує артеріальний тиск, знімає м’язові спазми. Магній сприяє виробленню допаміну та є антистресовим мікроелементом.

Джерелами Магнію є гречаний мед, цитрусові, злаки та крупи, фініки, інжир та інші сухофрукти, овочі, особливо листкові, горох, козяче молоко, яєчний жовток, насіння (рис. 33.4). Майже не піддається змінам під час кулінарного оброблення; в овочах велика частина Магнію міститься безпосередньо під шкіркою.

Рис. 33.4. Харчові продукти - джерела Магнію

Добова потреба людини в Магнії становить 250-500 мг та підвищується під час стресів, у разі атеросклерозу, ішемічної хвороби серця, жовчнокам’яної та гіпертонічної хвороб.

Нестача Магнію може призвести до захворювань кишечника; виникнення дратівливості й порушення емоційного стану; посмикування м’язів, тремтіння рук; м’язових судом, серцевої аритмії, зниження опірності організму; порушення структури кісткової тканини тощо.

Надлишок Магнію ніяк не позначається на здоровому організмі, однак за хворої печінки може спричинити сонливість, загальмованість, уповільнення пульсу, гіпотонію; параліч і асфіксію. Магній нетоксичний, його засвоєнню перешкоджає надлишок Кальцію.

Ферум є істотно важливим для всіх форм життя металічним елементом. Його загальна маса в організмі людини становить 4,2 г, уміст у крові - 447 мг/л, масова частка в кістковій тканині - (0,03-3,8) · 10-2 %, у м’язовій - 1,8 · 10-2 %. Близько 20 % Феруму в організмі депоновано в печінці, селезінці, кістковому мозку, це його «фізіологічний резерв». Ферум є складником гемоглобіну крові, він потрібен для «зчеплення» його з киснем. Також цей елемент є компонентом м’язового міоглобіну, стимулює клітинне дихання тощо. У складі окисних ферментів (пригадайте з курсу біології яких саме) він бере участь у транспортуванні електронів; входить до складу активного центру низки інших ферментів (пригадайте з курсу біології яких саме). Цей елемент стимулює внутрішньоклітинні процеси обміну, є складником протоплазми і клітинних ядер. Без Феруму неможливе нормальне функціонування імунної системи, адже білок трансферин входить до складу лімфоцитів. Ферум підвищує загальний тонус організму.

Джерела надходження Феруму в організм людини - сушені гриби, червоне м’ясо (особливо кроляче), темне м’ясо птиці (особливо індиче), печінка (особливо свиняча), нирки, пшенична крупа, гречка, бобові (особливо квасоля), овочі (особливо цвітна капуста), фрукти (особливо диня та чорнослив), какао, чорниці. Однак варто взяти до уваги, що цей елемент погано засвоюється з тваринної їжі, а ще гірше - з рослинної (рис. 33.5).

Рис. 33.5. Харчові продукти - джерела Феруму

Сприяють засвоєнню Феруму цибуля-порей, горіхи, горох, яблука, тушковані овочі, вітаміни В2, В6, фолієва кислота, Купрум. Перешкоджають засвоєнню цього елемента солодкий чай, кава, пшениця, особливо зернові продукти тонкої обробки (булки, батони тощо), продукти з підвищеним умістом Кальцію, Фосфору, Цинку. Добова потреба в цьому елементі становить від 6 мг до 40 мг: 14 мг для чоловіків, 18 мг для жінок, 38 мг для вагітних і 33 мг для жінок під час грудного вигодовування немовлят. Майже 10 % Феруму людина щодня втрачає з епітелієм та жовчю.

За нестачі Феруму можуть виникнути анемія, набряки, ослаблення імунної системи, почастішати застудні захворювання. Перевтома, дратівливість, безсоння, головний біль, «мушки» перед очима, оніміння кінцівок; сухість шкіри, ламкість нігтів з поперечною смугастістю також можуть сигналізувати про те, що в організмі замало Феруму.

Як упливає нестача та надлишок Кальцію, Калію, Натрію, Магнію, Феруму на рослини? За нестачі Кальцію нижні листки викривлюються й скручуються; листкову пластинку та її краї хаотично вкривають жовто-бурі плями; уповільнюється розвиток квіток; відмирають кінчики коренів. Рослина чахне, урожайність зменшується (рис. 33.6). Про надлишок Кальцію свідчать прив’ялі листки, уповільнення росту, утруднення всмоктування Калію, Феруму, Магнію, Мангану.

Рис. 33.6. У рослин з дефіцитом Кальцію нові паростки спотворені й можуть жовтіти і гинути, а плоди потерпають від «цвітіння»

Якщо бракує Калію, стебла рослин слабшають, стають тонкими та крихкими. Нижні листки тьмяніють, на них виникають хлоротичні плями, активно наростають пасинки. Верхівки та краї листків набувають іржавого відтінку, вигорають. Нові листки дрібнішають, мають темніший відтінок. Цвітіння уповільнюється або зовсім припиняється. Надлишок Калію призводить до відмирання кінчиків коренів. Нижні листки скручуються, стають зморшкуватими, на них виникають бурі плями. Міжвузля коротшають, верхівки та краї листків буріють і відмирають. Нові листки ростуть тонкими, з ознаками хлорозу (рис. 33.7).

Рис. 33.7. Наслідки дефіциту Калію в рослини

Натрій належить до елементів, які умовно потрібні рослинам. У хімічному й фізіологічному відношенні він близький до Калію. Калій може замінити Натрій, однак не навпаки. У рослинах є низка ферментів, які активує Натрій, але значно меншою мірою, ніж Калій. Одні рослини можуть засвоювати значні кількості Натрію, інші мають дуже малу здатність до його поглинання. Крім того, у натрієфобних рослин надходження Натрію з кореня до надземних органів обмежене (наприклад, у бобів). Шпинат і помідори є натрієфілами.

У рослинному організмі Магній входить до складу фотосинтетичного пігменту хлорофілу, бере участь в акумуляції сонячної енергії у процесі фотосинтезу, у транспортуванні Фосфору та у вуглеводному обміні, впливає на активність окисно-відновних процесів. Фотосинтез, біосинтез білка, підтримування структури білкових молекул, а отже, й саме існування зелених рослин неможливі без Магнію.

Масова частка Магнію в рослинах становить у середньому 0,07 %. За нестачі Магнію знижується вміст хлорофілу в зелених частинах рослин і розвивається хлороз між жилками листка (самі жилки при цьому залишаються зеленими). Гострий дефіцит Магнію спричиняє «мармуровість» листків, тканини між жилками можуть набувати різного забарвлення - жовтого, помаранчевого, червоного, фіолетового, потім відмирають: листки скручуються та поступово опадають (рис. 33.8). У сосни спостерігають пожовтіння кінчиків хвоїнок.

Рис. 33.8. Якщо в рослини дефіцит Магнію, її листки жовтіють між жилками

За нестачі Феруму в рослин розвивається некроз листків, вони опадають. Зі збільшенням дефіциту Феруму на великих листках виникають ознаки хлорозу між прожилками. Молоді листки й пагони від основи вкриваються плямами хлорозу. Ріст уповільнюється, урожайність зменшується. Надлишок Феруму уповільнює всмоктування Фосфору, листки набувають бронзового відтінку, з буро-коричневими плямами (рис. 33.9).

Рис. 33.9. У рослин з дефіцитом заліза нові листки бліді між жилками до світло-зеленого, жовтого або білого

Про біологічне значення неметалічних елементів ви дізнаєтеся з наступного параграфа.

https://www.youtube.com/watch?v=Koj3C-fOLHo

http://pni.com.ua/%D0%B2%D1%96%D0%B4%D0%B5%D0%BE-2/

https://www.youtube.com/watch?v=FnoFbYePO_Q

ПРО ГОЛОВНЕ

• Кальцій, Калій, Натрій, Магній, Ферум - біологічно активні металічні елементи. Їхня нестача негативно позначається на організмах, а надлишок здебільшого є небезпечним.

• Збалансоване харчування людей і тварин, раціональне підживлення рослин є важливими чинниками здоров’я та врожайності.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Поясніть чому: а) фахівці й фахівчині в галузі дієтології радять роздільний прийом їжі, багатої на Кальцій (молоко, зелені овочі), та їжі, багатої на Ферум (м’ясо, печінка), а під час вибору вітамінно-мінеральних препаратів віддавати перевагу тим, у яких Кальцій і Ферум розділені; б) лікарські засоби на основі двовалентного Феруму рекомендовано вживати натщесерце; в) потрібно враховувати твердість води, використовуваної для поливу рослин; г) тим, хто працює в гарячих цехах, рекомендовано вживати газовану підсолену воду (з масовою часткою натрій хлориду від 0,2 до 0,5 %).
  • 3. Побутує думка, що вживання бананів може призвести до порушень роботи серця. Чи поділяєте ви її? Відповідь аргументуйте розрахунками.
  • 4. Наскільки безпечна питна вода з підвищеним умістом Феруму? Відповідь аргументуйте розрахунками.
  • 5. Під час фізичних навантажень Калій вивільняється з м’язів і його вміст у сироватці крові зростає. Поясніть, чому це становить певну небезпеку для людини.
  • 6. Одна з активних речовин полівітамінного засобу «Магне-В6 Антистрес» - магній цитрат. Поясніть, наскільки обґрунтовано в назві використано слово «антистрес».
  • 7. Складіть узагальнювальну таблицю «Біологічне значення металічних елементів».

Творча майстерня

  • 8. Складіть сенкан про один з металічних елементів, про які йшлося в параграфі.