Биологическая функция s- и p-элементов

Биологическая функция s- и p-элементов.

 

IA группа

Водород (Hydrogenium)

Биоэлемент является структурной  единицей органических соединений, участвующий в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (витамины, гормоны, ферменты, аминокислоты, белки, жиры, углеводы). На долю водорода на Земле, включая воду и воздух, приходится около 1% по массе. Водород в соединении с кислородом образует воду. Роль воды в жизни животных и человека.

Роль в жизни  животных и человека

Общее содержание воды в  организме колеблется от 95-98% у кишечнополостных (медузы, гребневики) до 60-70% у млекопитающих и 45-65% насекомых. У человека при общем содержании воды около 60% масса тела, внутриклеточная вода составляет 40%, межклеточная жидкость – 16%, внутрисосудистая-4.5%.

Вода с растворенными  в ней минеральными веществами включается в водно-солевой обмен – совокупность процессов потребления, всасывания и выделения воды и солей. Водно-солевой  обмен обеспечивает постоянство  осмотической концентрации, ионного  состава, кислотно-щелочного равновесия и объема жидкостей внутренней среды организма. В ходе эволюции организмов сформировалась система жидкостей внутренней среды, и выработались механизмы поддержания водного баланса и ионного состава, зависящие от уровня организации и экологической специализации животных. Первые живые существа возникли в океане; существует сходство (по соотношению основных ионов) между жидкостями внутренней среды у многих современных морских беспозвоночных и морской водой.

Характер физико-химических процессов в тканях определяют ионы Na⁺, K⁺, Ca⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄ ^2-, HCO₃ – и др; а также микроэлементы. Всасывание электролитов происходит в кишечнике, а у пресноводных животных также в покровах или слизистых оболочках ротовой полости и клоаке, обеспечивает поступление солей в кровь. С кровью или лимфой они переносятся к клеткам организма. По своему составу в ней – и внутриклеточные жидкости резко различаются: в клетках высоко содержание K⁺, Mg²⁺ и фосфатов, вне клеток – Na⁺, Ca²⁺, Cl^-. Ионная асимметрия обеспечивается деятельностью плазматической мембраны и связыванием рядом ионов химическими компонентами клеток. Внутри клеток ионы также распределены неравномерно: Na⁺ больше в ядре, чем в цитоплазме, Ca²⁺ - в митохондриях.

Основные  источники поступления в организм:

- Питьевая вода;

- Продукты животного  и растительного происхождения.

Наиболее  известные и используемые человеком  соединения:

H₂O – вода, оксид водорода

H₂O₂ – пероксид водорода, перекись водорода

1-2% раствор перекиси  водорода (H₂O₂) – отличный антисептик.

Литий (Lithium)

Роль  в жизни животных и человека

Содержание лития в  организме животных составляет 0.001% по массе, а в организме человека – 0.67 мг на 70 кг. Литий – ультрамикроэлемент, принимающий участие в регуляции  высшей нервной деятельности, оказывающий также влияние на иммунитет и водно-солевой обмен. В организме человека литий накапливается в скелете, щитовидной железе.

Литий применяется также  в психотерапевтической практике. Медики не раз наблюдали, что некоторые  соединения лития (в соответствующих дозах, разумеется) оказывает положительное влияние на больных, страдающих маниакальной депрессией. С одной стороны, установлено, что литий способен регулировать активность некоторых ферментов, участвующих в переносе из межклеточной жидкости в клетки мозга ионов натрия и калия. С другой стороны, замечено, что ионы лития непосредственно воздействуют на ионный баланс клетки. А от баланса натрия и калия зависит, в значительной мере, состояние больного: избыток натрия в клетках характерен для депрессивных пациентов, недостаток – для страдающих маниями. Выравнивая натрий-калиевый баланс, соли лития оказывают положительное влияние и на тех, и на других. Редко литий применяется при лечении иммуннодефицитных состояний.

Низкий уровень лития  отмечается у больных с психическими расстройствами, почечными заболеваниями, а также у потомства больных алкоголизмом, при иммуннодефицитных заболеваниях, в том числе с риском новообразований.

Повышенная концентрация лития в волосах может отмечаться при нарушении выделительной функции почек, обмена натрия, передозировки препаратов лития. Может наблюдаться у работников или лиц, проживающих вблизи предприятий по производству элементов питания, компонентов для АЭС, и самих АЭС.

Основные  источники поступления в организм:

-продукты растительного происхождения: зеленые растения.

Наиболее  известные и используемые человеком  соединения:

Li₂CO₃ – карбонат лития, литонит;

[LiAl]Si₂O₆ – сподумен, кунцит;

LiAl [Si₄O₁₀] – петалит.

 

Суточное поступление  лития в организм человека с продуктами питания составляет примерно 2 мг.

Медицинское применение лития ограничено. Соли лития (карбонат лития Li₂CO₃, литонит) используется при лечении маниакально-депрессивных психозов. Препараты лития возможно эффективны при лечении новообразований, сахарного диабета и алкоголизма.

Токсическая доза лития  для организма человека составляет 92-200 мг.

 

Натрий (Natrium)

Роль  в жизни животных и человека

В организме животного  содержится примерно 0.1% натрия (по массе).

Натрий распределяется по всему организму. В организме человека натрий содержится в эритроцитах – красных кровяных клетках, в сыворотке, в пищеварительных соках, костях, мышцах, во всех внутренних органах, коже. 40% натрия находится в костной ткани.

Совместно с калием создает  трансмембранный потенциал клетки и обеспечивает возбудимость клеточной мембраны. Входит также в состав натрий-калиевого насоса (Na⁺/K⁺ - насос), особого белка (порового комплекса), пронизывающего всю толщу мембраны, выкачивающего из клетки ионы натрия и накачивающего в нее ионы калия, обеспечивая активный транспорт веществ в клетку. Натрий поддерживает кислотно-щелочной баланс в организме, регулирует кровяное давление, функционирование нервов и мышц, поглощение глюкозы клетками, образование гликогена, синтез белков, влияет на состояние слизистых оболочек жизненно важных органов пищеварительного тракта. Обмен натрия находится под контролем щитовидной железы.

Его недостаток приводит к головной боли, слабости, слабой памяти, потере аппетита. При недостатке натрия стенки желудка будут слабыми, и повысится кислотность желудочного сока, могут возникнуть проблемы с мочевым пузырем, возникает утомляемость.

Избыток натрия приводит к задержке воды в организме (отекам), гипертонии, заболеваниям сердца.

Основные  источники поступления в организм:

- Поваренная соль;

- Все соленые продукты;

- Морепродукты;

- Овощи и зелень: шпинат, капуста, мята, укроп, петрушка, морковь,  лук, салат-латук, перец, спаржа, хрен, одуванчик, чеснок.

- Ягоды: черная смородина,  клюква;

- Лимоны;

- Продукты животного  происхождения: колбаса, сало, соленая рыба, икра, сыр.

 

Наиболее  известные и используемые человеком  соединения:

NaCl – хлорид натрия, поваренная соль, галит;

NaHCO₃ – гидрокарбонат натрия, питьевая сода, пищевая сода, натрий двууглекислый.

 

Среднее содержание натрия в организме человеческом организме составляет 100 г на 70 кг.

Суточное поступление  натрия в организм с продуктами питания  составляет в среднем 4.4 г.

В медицине хлористый натрий применяют  в виде изотонического 0.0% раствора при обезвоживании организма (такая концентрация называется физиологическим раствором, т.к. соответствует соляному составу плазмы крови). Натрий входит в состав многих лекарственных препаратов, в том числе антибиотиков, викасола – синтетического производного витамина К.

 

Натрий-калиевый насос:

Для нормальной жизнедеятельности  клетке требуется интенсивный обмен  различными веществами с внеклеточной средой. Обмен может происходить  путем пассивного транспорта, когда  вещества поступают в клетку по градиентам концентрации (например, кислород, углекислый газ, глюкоза) или путем осмоса (вода). Но клетка может осуществлять транспорт и против концентрационных или электрических градиентов. Такой транспорт требует затрат энергии и называется активным. Обмен осуществляется при помощи специальных белков, образующих в мембране так называемые каналы. В модели показана работа такого канала (насоса), обеспечивающего движение ионов натрия и калия через клеточную мембрану. Внутриклеточная часть белка расщепляет молекулы АТФ.  Это обеспечивает выделение из клетки трех ионов натрия и поступление двух ионов калия. Таким образом, внутри клетки поддерживается высокая концентрация калия (в 35 раз выше, чем вне клетки) и низкая концентрация натрия (в 14 раз ниже внеклеточной). Это важно для создания электрических потенциалов на мембранах, процесса возбуждения в нервных и мышечных клетках, нормального протекания других внутриклеточных процессов (рисунок 1).

Рисунок 1 – Натрий-калиевый насос  

 

 

Калий (Kalium)

Роль в жизни  животных и человека

В организме животных содержание калия примерно 0.2 5- 0.27% (по весу). Калий вместе с натрием создает трансмембранный потенциал клеток животных и человека 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 (Na⁺/ K⁺ - насос), 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, образование гликогена, синтез белков, необходим для нормального функционирования всех мышц, особенно сердечной, способствуют выделению из организма воды.

В организме человека массой 70 кг содержится 140 грамм 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, морковь, лук, салат-латук, петрушка, спаржа, хрен, одуванчик, горох, соя, фасоль, чеснок;

- Черная смородина;

- Чернослив;

- Изюм;

- Мясо.

Наиболее известные  используемые человеком соединения:

KOH – гидроксид калия, едкий калий;

KCl – хлорид калия, сильвин;

K₂SO₄ – сульфат калия, арканит;

KAl(SO₄)₂ ∙12H₂O – алюмокалиевые квасцы.

 

Суточное потребление калия  с продуктами питания составляет 3-4 г.

В медицине соли калия применяют  в качестве мочегонных и слабительных средств.

Сердечникам, в первую очередь людям перенесшим инфаркт миокарда, для восполнения потерь калия в организме врачи настоятельно рекомендуют есть курагу, так как в 100 граммах кураги содержится до 2 г калия.

 

Растворение кристалла  хлорида калия:

Ионы расположенные на поверхности кристалла, притягивают к себе молекулы воды. К ионам калия молекулы воды притягиваются своими отрицательными полюсами, а к хлорид-ионам – положительными. Вслед за первым слоем ионов в раствор переходит следующий слой, таким образом растворяется весь кристалл. Сходным образом растворяются и другие соли (рисунок 2).

Рисунок 2 – Растворение  кристалла хлорида калия

 

IIA группа

Бериллий (Beryllium)

 

Роль  в жизни животных и  человека

В организме взрослого  человека содержание бериллия составляет от 0.4 до 40 мкг. Обнаружен бериллий в легких, лимфатических узлах, печени, сердечной мышце, костной ткани. Основной путь поступления в организм человека и животных — ингаляционный, через дыхательные пути. Поступление с пищей и водой очень незначительно. Биологическая роль бериллия в том, что он участвует в обмене кальция, магния и фосфора в костной ткани.

Если для растений бериллий безвреден, то у животных он вызывает так называемый бериллиевый  рахит. Повышенное содержание солей бериллия в пище способствует образованию в организме растворимого фосфатного бериллия. Постоянно «похищая» фосфаты, бериллий тем самым способствует ослаблению костной ткани — это и есть причина болезни.

Многие соединения бериллия ядовиты. Они могут стать причиной воспалительных процессов кожи и органов дыхания: бериллиоза — специфического заболевания, вызываемого вдыханием бериллия и его соединений. При кратковременном вдыхании больших концентраций растворимых соединений бериллия возникает острый бериллиоз, представляющий собой раздражение дыхательных путей, иногда сопровождающееся отеком легких и удушьем. Есть и хроническая разновидность бериллиоза. Для нее характерны менее резкие симптомы, но большие нарушения всего организма. Поэтому допустимые пределы содержания бериллия в воздухе очень малы — всего 0.001 мг/м³.