Підручник з Біології і екології. 10 клас. Соболь - Нова програма

Сили чотири, що поєднались, Творять життя, створили і світ.

Ф. Шиллер

§ 19. БІОЕЛЕМЕНТИ. БІОНЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ: ОГЛЯД БУДОВИ Й БІОЛОГІЧНА РОЛЬ

Основні поняття й ключові терміни: БІОЕЛЕМЕНТИ. БІОНЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ.

Пригадайте! Що таке хімічні елементи?

Поміркуйте!

У складі живого є майже всі хімічні елементи Періодичної системи Д. І. Менделєєва, але основні ознаки живого визначаються властивостями й функціями лише приблизно 30 біоелементів. Які функції біоелементів в обміні речовин?

ЗМІСТ

Яка роль біоелементів в обміні речовин та перетворенні енергії?

БІОГЕННІ ЕЛЕМЕНТИ (біоелементи) — це хімічні елементи, що входять до складу живої матерії, виявляють певні властивості та відіграють важливу роль у процесах життєдіяльності. Найбільший вміст у живій природі припадає на елементи-органогени (Гідроген, Оксиген, Карбон, Нітроген), що є типовими неметалами. Біологічне значення органогенів зумовлене такими властивостями: 1) атоми органогенів легко сполучаються між собою, утворюючи міцні ковалентні зв’язки, що забезпечує стійкість біомолекул; 2) Гідроген та Оксиген можуть утворювати слабкі водневі зв’язки, які зумовлюють можливість зміни структури біомолекул; 3) мають малі розміри, малу відносну атомну масу і є легкими елементами, що важливо для утворення біомолекул.

Макроелементами є метали — Калій, Кальцій, Натрій, Магній, Ферум і неметали — Фосфор, Хлор, Сульфур. Атомна маса цих елементів дещо більша, але їхній зовнішній електронний шар має або потребує для заповнення невелику кількість електронів. Основними властивостями макроелементів є: 1) висока здатність утворювати йони та участь в утворенні йонних зв’язків; 2) більшість є сильними відновниками або окисниками, тому в складі біосистем досить часто беруть участь у регуляції життєвих функцій.

Мікроелементами є Цинк, Йод, Купрум, Манган, Молібден, Кобальт та інші, що розташовуються в нижній частині таблиці, у переважній більшості є металами з відносною атомною масою, більшою за 50. Мікроелементи активують або пригнічують ферменти та входять до складних ферментів, тому їх називають «каталізаторами каталізаторів». До мікроелементів належать і такі важливі для живого неметали як Флуор, Силіцій, Селен та ін.

Біоелементи в біосистемах виконують свої функції у складі біомолекул у формі нерозчинних сполук та йонів. За функціями й біологічними властивостями біоелементи класифікують на структурні та метаболічні (регуляторні, біокаталітичні та кровотворні). Структурні біоелементи беруть участь в утворенні сполук і виконують роль будівельного матеріалу для клітин, тканин й органів. Так, Карбон, Оксиген, Нітроген, Гідроген утворюють органічні речовини, Кальцій й Фосфор — кістки, черепашку молюсків, Силіцій — опорні структури діатомових водоростей, хвощів, радіолярій. Біокаталітичні елементи забезпечують високу біологічну активність ферментів і вітамінів. Наприклад, Кобальт є в складі ціанкобаламіну, Купрум утворює цитохроми. Регуляторні елементи в складі гормонів здійснюють ендокринну регуляцію (Йод є структурним компонентом тироксину, Цинк — інсуліну), транспортують речовини крізь мембрани (натрій-калієвий насос), створюють різницю потенціалів по різні боки мембран для синтезу АТФ (йони Гідрогену) та ін. Кровотворні біоелементи (Ферум, Купрум) беруть участь у процесах гемопоезу.

Отже, біоелементи виконують у біосистемах структурну, біокаталітичну, регуляторну та кровотворну функції.

Які прості неорганічні речовини беруть участь в обміні речовин і перетворенні енергії?

БІОНЕОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ — це прості й складні неорганічні речовини, нестача яких у живому призводить до порушення біологічних функцій. Ці прості й складні речовини є обов’язковими компонентами будь-якої біосистеми.

З неметалів найбільше значення в біосистемах мають кисень та азот. Основною особливістю, що зумовлює біологічне значення неметалів, є те, що вони мають здатність приєднувати електрони та є окисниками в окисно-відновних реакціях. Яскравим прикладом таких речовин є кисень як акцептор електронів у реакціях кисневого розщеплення біомолекул. Важливим для життєдіяльності є й азот незважаючи на його хімічну інертність. У біосистеми цей газ надходить завдяки азотофіксуючій діяльності бульбочкових бактерій, ціанобактерій.

У Періодичній системі Д. І. Менделєєва 85 елементів є металами. Десять з них (Натрій, Калій, Магній, Кальцій, Манган, Ферум, Кобальт, Купрум, Цинк, Молібден) відіграють важливу роль у життєдіяльності організмів і отримали назву «метали життя», або біометали. Метали мають здатність віддавати електрони і бути сильними відновниками в окисно-відновних реакціях. Ці речовини легко утворюють стійкі йони, що беруть участь у транспортуванні речовин (Натрій, Калій), взаємоперетворенні форм енергії (Кальцій у м'язовому скороченні). Вони входять до складу гормонів (Цинк, Кобальт), ферментів й дихальних та фотосинтезуючих пігментів (Ферум, Купрум). Важкі метали чинять токсичну дію на організми (Кадмій, Меркурій).

Отже, прості речовини в складі живого здійснюють окисно-відновну, структурну, регуляторну, енергетичну функції.

Яке біологічне значення складних біонеорганічних речовин?

Серед складних речовин виокремлюють оксиди, кислоти, основи, солі.

Оксидами є складні бінарні сполуки елементів з Оксигеном. Кислотні оксиди (CO2 , SO2 , SO3 , N2O5 , P2O5) переважно добре розчиняються у воді й утворюють мінеральні кислоти. Карбон(ІV) оксид СО2 є регулятором дихання, а чадний газ СО — токсичною речовиною. Основні оксиди (за винятком оксидів лужних і деяких лужноземельних металів, таких як К2О, Na2О, МgО) переважно нерозчинні у воді й здатні реагувати з кислотами з утворенням важливих для живого солей та основ. Серед амфотерних оксидів найбільше значення має Н2О. У живих системах важливу роль виконує гідроген пероксид Н2О2 , який є сильним окисником і тому небезпечним для клітин. Роль нітроген (II) оксиду як сигнальної молекули в живих організмах була відкрита у 1980-х роках.

Кислотами називаються сполуки, що містять у молекулах атоми Гідрогену та кислотні залишки. Основною біологічною властивістю кислот є їхня здатність до дисоціації й визначення кислотності рідин внутрішнього середовища. Кислоти утворюють важливі для живого аніони NO-3, Cl-, SO2-4, CO2-3 (беруть участь у регуляції процесів) та катіони Н+, від концентрації яких залежить рН рідин й секретів. Сильні кислоти активують травні ферменти (HCl), здатні розчиняти мінеральні сполуки, що надходять для обміну речовин (H2SO4), будують важливі біомолекули (залишки H3PO4 у складі АТФ, нуклеотидів, фосфоліпідів тощо). У слабких кислот лише невелика частина молекул дисоціює повністю на йони, але й вони активно залучаються для регуляції рН крові (H2CO3 й карбонатна буферна система), для утворення органічних сполук (H2S для бактеріального фотосинтезу) тощо.

Основами називають сполуки, до складу яких входять атом металу і гідроксильні групи. Основи мають здатність зв'язувати йони Н+ та беруть участь в утворенні буферних систем. Більшість основ у воді нерозчинні, тому живі організми утворюють їх як кінцеві продукти окисно-відновних реакцій. Розчинні основи беруть участь: 1) в утворенні солей (NaOH, KOH); 2) у реакціях нейтралізації (Ba(OH)2— для нейтралізації HCl й зменшення кислотності, Al(OH)3— для нейтралізації алкалоїдів рослинної їжі у тварин); 3) в ґрунтоутворенні й створенні умов існування для ґрунтових мешканців (Ca(OH)2) тощо.

Мінеральні солі — це продукти повного або часткового заміщення атомів Гідрогену в кислотах на атоми металів. Розчинні солі під час дисоціації розкладаються на катіони металів та аніони кислотних залишків, завдяки чому відбуваються надходження із середовища існування до біосистем багатьох поживних елементів, окисно-відновні реакції, реакції обміну з основами, кислотами, іншими солями. Нерозчинні солі багато організмів використовують для побудови захисних та опорних утворень (наприклад, кальцій карбонат, кальцій фосфат утворюють черепашки, скелети коралів, зуби хребетних). Кислі солі, які утворюються у реакціях між лугами і кислотами, беруть участь у формуванні буферних систем. Із розчинних солей для організмів найбільше значення мають солі, що їх утворюють катіони Натрію, Калію, Кальцію, Магнію, Феруму та залишки хлоридної, сульфатної, нітратної кислот. Ці йони забезпечують транспортування речовин крізь мембрани клітин, регуляцію роботи серця, проведення збудження, активацію ферментів тощо.

Отже, складні неорганічні речовини беруть участь у найважливіших процесах функціонування усіх біологічних систем.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з таблицею «Значення біоелементів»

Перед вами хімічні символи 16 необхідних для життя біоелементів: Na, Ca, K, Mq, Fe, P, S, Cl, H, O, C, N, І, F, Cu, Co. Розташуйте їх у відповідному рядку таблиці «Біологічне значення елементів організму людини» навпроти функцій, що вони виконують.

Символ

Значення

У складі молекул усіх органічних речовин

У складі води і біомолекул, участь у реакціях окиснення

У складі води і органічних речовин, участь у реакціях відновлення

У складі білків, нуклеїнових кислот, АТФ, ферментів, вітамінів

Транспортування речовин з клітини, регуляція ритму серцевої діяльності

У складі кісток, регуляція ритму серця, зсідання крові

Транспортування речовин у клітину, здійснення подразливості

Компонент хлорофілу, активує діяльність ферментів катаболізму

Компонент гемоглобіну, міоглобіну, ферментів—цитохромів

Входить до складу кісток, білків, нуклеїнових кислот, АТФ тощо

Входить до складу шлункового соку

Входить до складу сульфуровмісних амінокислот, вітаміну В1 (тіаміну)

Входить до складу емалі зубів

Входить до складу тироксину, трийодтироніну

Компонент гемоціаніну молюсків, ферментів дихання

У складі вітаміну В12, який регулює кровотворення

Завдання на зіставлення «Організм людини й метали»

Експериментально доведено, що в організмі людини на метали припадає близько 3 % (у людини масою 70 кг це становить 2,1 кг): кальцій (1700 г), Калій (250 г), Натрій (70 г), Магній (42 г), Ферум (5 г), Цинк (3 г). Зіставте названі біометали з їхнім біологічим значенням та отримайте назву хімічного елемента, з якого завдяки його біологічній сумісності для хірургії виробляють засоби для зшивання тканин, нервів, виготовлення протезів тощо.

1 Кальцій

А1 У вигляді катіонів забезпечує транспортування речовин із клітини

2 Калій

А2 Компонент гемоглобіну й міоглобіну

3 Натрій

Л Компонент інсуліну, РНК-полімерази, ДНК-полімерази

4 Магній

Н У вигляді йонів підтримує гомеостаз рідин, транспортування речовин у клітини

5 Ферум

Т1 У складі кісток, зубів, регулює зсідання крові й роботу серця

6 Цинк

Т2 Необхідний для енергетики важливих процесів, протистресовий елемент

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Хімія. Значення біонеорганічної хімії

Біонеорганічна хімія виникла у 60-х роках XX ст. і складається з кількох тісно поєднаних між собою розділів, які вивчають виділення з організмів, синтез, будову та властивості, а також методи дослідження біонеорганічних сполук. Нині ця наука переживає період свого стрімкого розвитку. Оцініть її значення для медицини, агрономії, біотехнології та екології.

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1—6

1. Що таке біоелементи? 2. Назвіть основні групи біоелементів. 3. Що таке біонеорганічні речовини? 4. Назвіть функції простих біонеорганічних сполук. 5. Наведіть приклади найважливіших для живого складних неорганічних сполук. 5. Назвіть функції складних біонеорганічних речовин.

7—9

7. Яка роль хімічних елементів в обміні речовин і перетворенні енергії? 8. Які прості неорганічні речовини беруть участь в обміні речовин і перетворенні енергії? 9. Яке біологічне значення складних біонеорганічних речовин?

10—12

10. Оцініть значення біонеорганічної хімії для медицини, агрономії, біотехнології та екології.