Химические элементы в организме человека. Органические и неорганические вещества

Неорганические вещества — такие химические соединения, которые в отличие от органических не содержат углерода (кроме цианидов, карбидов, карбонатов и некоторых прочих соединений, традиционно относящихся к этой группе).

Классификация неорганических веществ следующая. Существую простые вещества: неметаллы (H2, N2, O2), металлы(Na, Zn, Fe), амфотерные простые вещества (Mn, Zn, Al), благородные газы (Xe, He, Rn) и сложные вещества: оксиды (H2O, CO2, P2O5); гидроксиды (Ca(OH)2, H2SO4); соли (CuSO4, NaCl, KNO3, Ca3(PO4)2) и бинарные соединения.

Молекулы простых (одноэлементных) веществ состоят только из атомов определенного (одного) вида (элемента). Они не разлагаются в химических реакциях и не способны к образованию других веществ. Простые вещества в свою очередь подразделяются на металлы и неметаллы. Четкой границы между ними не существует из-за способности простых веществ проявлять двойственный свойства. Некоторые элементы одновременно проявляют свойства и металлов, и неметаллов. Их называют амфотерными.

Благородные газы - это неорганические вещества отдельного класса; они выделяются среди прочих особым своеобразием. VIIIA-группы.

Способность некоторых элементов образовывать несколько простых, отличающихся строением и свойствами, называется аллотропией. Примерами могут быть элементы С, образующий алмаз карбин и графит; О - озон и кислород; Р - белый, красный, черный и другие. Такое явление возможно из-за разного числа атомов в молекуле и благодаря способности образования атомами разных кристаллических форм.

Помимо простых основные классы неорганических веществ включают сложные соединения. Под сложными (двух- или многоэлементными) веществами понимают соединения химических элементов. Их молекулы состоят из атомов разных видов (разных элементов). При разложениях в химических реакциях они образуют несколько других веществ. Делятся на основания, и соли.

В основаниях атомы металлов соединены с гидроксильными группами (или одной группой). Эти соединения делятся на растворимые (щелочи) и нерастворимые в воде.

Оксиды состоят из двух элементов, одним из которых обязательно является кислород. Они бывают несолеобразующими и солеобразующими.

Гидроксиды - это вещества, которые образуются при взаимодействии (прямом или косвенном) с водой. К ним относятся: основания (Al(OH)3, Ca(OH)2), кислоты (HCl, H2SO4, HNO3, H3PO4), (Al(OH)3,Zn(OH)2). При взаимодействии разных типов гидроксидов между собой образуются кислородсодержащие соли.

Соли делятся на средние (состоят из катионов и анионов - Ca3(PO4)2, Na2SO4); кислые (содержат в кислотном остатке атомы водорода, которые могут замещаться катионами -NaHSO3, CaHPO4), основные (имеют в составе гидроксо- или оксогруппу - Cu2CO3(OH)2); двойные (содержат два разных химически катиона) и/или комплексные (содержат два разных кислотных остатка) соли (CaMg(CO3)2, K3).

Бинарные соединения (довольно большой класс веществ) делятся на кислоты бескислородные (H2S, HCl); соли бескислородные (CaF2, NaCl) и прочие соединения (CaC2, AlH3, CS2).

Неорганические вещества не имеют углеродного скелета, который является основой органических соединений.

В организме человека есть как (34%), так неорганические соединения. К последним относятся, в первую очередь, вода (60%) и соли кальция, из которых преимущественно состоит скелет человека.

Неорганические вещества в человеческом организме представлены 22 химическими элементами. Большинство из них являются металлами. В зависимости от концентрации элементов в организме их называют микро- (содержание в организме которых не более 0,005% от массы тела) и макроэлементами. Незаменимыми для организма микроэлементами являются йод, железо, медь, цинк, марганец, молибден, кобальт, хром, селен, фтор. Их поступление с пищей в организм необходимо для его нормальной жизнедеятельности. Макроэлементы такие как кальций, фосфор и хлор являются основой многих тканей.

Организм человека — открытая биологическая система. Организм человека является системой многоуровневой. Она состоит из систем органов, каждая система органов — из органов, каждый орган — из тканей, ткани — из клеток. Каждая клетка является системой взаимосвязанных органелл.

Организм человека является открытой системой, которая постоянно обменивается веществами и энергией с окружающей средой. Из него в организм во время газообмена поступает кислород, а вместе с едой — вода и питательные вещества. Наружу организм удаляет углекислый газ, непереваренные остатки пищи, мочу, пот, секрет сальных желез.

Внешне организм получает тепловую энергию и питательные вещества (белки, жиры, углеводы), молекулы которых аккумулируют химическую энергию. Она высвобождается при реакций расщепления этих веществ в организме. Часть химической энергии расходуется на процесс его жизнедеятельности, а избыток в виде тепла возвращается во внешнюю среду.

Неорганические вещества

Среди всех неорганических веществ содержание воды в организме человека является наибольшим. Она составляет до 90% массы эмбриона и до 70% массы организма пожилого человека. Вода является растворителем, который обеспечивает транспорт веществ в организме. Растворенные в воде вещества приобретают способность к взаимодействию. Вода участвует и в процессах теплообмена между организмом и окружающей средой.

В организме человека содержится немало неорганических веществ. Одни из них присутствуют в виде молекул, как, например, соединения кальция в костях, вещества — в виде ионов. Так, ионы железа участвуют в транспорте кислорода в крови, ионы кальция необходимы для сокращения мышц, а ионы калия и натрия — для образования и передачи нервных импульсов.

Органические вещества

Молекулы многих органических веществ состоят из блоков — простых органических молекул. Такое строение имеют все белки. Они образованы из молекул аминокислот. Обычно цепочка аминокислот сворачивается в волокнистые или клубоподобные структуры. Так белковая молекула становится компактнее и занимает меньше места в клетке.

В каждом процессе, происходящем в организме, участвуют десятки, а то и сотни различных белков. Доля белков составляет более 50% сухой массы клеток. Одни белки являются строительным материалом клеток, другие работают при сокращении мышц, третьи защищают организм от инфекций. С помощью ферментов — белков-катализаторов — происходят почти все химические реакции в организме.

Сложные углеводы

Как и белки, сложные углеводы образуются из молекул-блоков. Так, блоками гликогена являются молекулы простого углевода — глюкозы. Глюкоза в организме играет роль источника энергии, а в виде гликогена создаются запасы глюкозы. В соединениях с белками и другими органическими веществами углеводы выполняют структурную функцию.

Жиры

Жиры — нерастворимые в воде органические вещества. В состав молекулы жира обычно входят молекулы глицерина и жирных кислот. Жиры образуют плазматические мембраны клеток, они накапливаются в клетках жировой ткани, которая выполняет в организме защитные функции. Так же, как и глюкоза, жиры являются источником энергии. Молекула жира запасает больше энергии, чем молекула глюкозы, однако клетка добывает энергию из жиров значительно дольше, чем из углеводов.

Впервые химические вещества классифицировал в конце IX столетия арабский ученый Абу Бакр ар-Рази. Он, опираясь на происхождение веществ, распределили их по трем группам. В первой группе он отвел место минеральным, во второй - растительным и в третьей - животным веществам.

Этой классификации было суждено просуществовать почти целое тысячелетие. Лишь в XIX веке из тех групп сформировали две - органические и неорганические вещества. Химические вещества обоих типов строятся благодаря девяноста элементам, внесенным в таблицу Д. И. Менделеева.

Группа неорганических веществ

Среди неорганических соединений различают простые и сложные вещества. Группа простых веществ объединяет металлы, неметаллы и благородные газы. Сложные вещества представлены оксидами, гидроксидами, кислотами и солями. Все неорганические вещества могут строиться из любых химических элементов.

Группа органических веществ

В состав всех органических соединений в обязательном порядке входит углерод и водород (в этом их принципиальное отличие от минеральных веществ). Вещества, образованные C и H называются углеводородами - простейшими органическими соединениями. В составе производных углеводородов находится азот и кислород. Они, в свою очередь, классифицированы на кислород- и азотсодержащие соединения.

Группа кислородсодержащих веществ представлена спиртами и эфирами, альдегидами и кетонами, карбоновыми кислотами, жирами, восками и углеводами. К азотсодержащим соединениям причислены амины, аминокислоты, нитросоединения и белки. У гетероциклических веществ положение двояко - они, в зависимости от строения, могут относиться и к тому и к другому виду углеводородов.

Химические вещества клетки

Существование клеток возможно, если в их состав входят органические и неорганические вещества. Они погибают, когда в них отсутствует вода, минеральные соли. Клетки умирают, если сильно обеднены нуклеиновыми кислотами, жирами, углеводами и белками.

Они способны к нормальной жизнедеятельности, если в них находится несколько тысяч соединений органической и неорганической природы, способных вступать во множество различных химических реакций. Биохимические процессы, текущие в клетке - основа ее жизнедеятельности, нормального развития и функционирования.

Химические элементы, насыщающие клетку

Клетки живых систем содержат группы химических элементов. Они обогащены макро-, микро- и ультрамикроэлементами.

  • Макроэлементы, прежде всего, представлены углеродом, водородом, кислородом и азотом. Эти неорганические вещества клетки образуют практически все ее органические соединения. А еще к ним причислены жизненно необходимые элементы. Клетка не способна жить и развиваться без кальция, фосфора, серы, калия, хлора, натрия, магния и железа.
  • Группа микроэлементов образована цинком, хромом, кобальтом и медью.
  • Ультрамикроэлементы - еще одна группа, представляющая важнейшие неорганические вещества клетки. Группа сформирована золотом и серебром, оказывающим бактерицидное действие, ртутью, препятствующей обратному всасыванию воды, заполняющей почечные канальцы, оказывающей влияние на ферменты. В нее же включена платина и цезий. Определенную роль в ней отводят селену, дефицит которого ведет к различным видам рака.

Вода в составе клетки

Важность воды, распространенного на земле вещества для жизни клетки, неоспорима. В ней растворяются многие органические и неорганические вещества. Вода - та благодатная среда, где протекает невероятное количество химических реакций. Она способна растворять продукты распада и обмена. Благодаря ей клетку покидают шлаки и токсины.

Эта жидкость наделена высокой теплопроводностью. Это позволяет теплу равномерно распространяться по тканям тела. У нее существенная теплоемкость (способность поглощать теплоту, когда собственная температура изменяется минимально). Такая способность не позволяет возникать в клетке резким перепадам температур.

Вода обладает исключительно высоким поверхностным натяжением. Благодаря ему растворенные неорганические вещества, как и органические, без труда передвигаются по тканям. Множество небольших организмов, используя особенность поверхностного натяжения, держатся на водной поверхности и свободно по ней скользят.

Тургор растительных клеток зависит от воды. С опорной функцией у определенных видов животных справляется именно вода, а не какие-нибудь другие неорганические вещества. Биология выявила и изучила животных с гидростатическими скелетами. К ним относятся представители иглокожих, круглых и кольчатых червей, медуз и актиний.

Насыщенность клеток водой

Работающие клетки заполнены водой на 80 % от их общего объема. Жидкость пребывает в них в свободной и связанной форме. Белковые молекулы прочно соединяются со связанной водой. Они, окруженные водной оболочкой, изолируются друг от дружки.

Молекулы воды полярны. Они образуют водородные связи. Благодаря водородным мостикам вода обладает высокой теплопроводностью. Связанная вода позволяет клеткам выдерживать пониженные температуры. На долю свободной воды приходится 95 %. Она способствует растворению веществ, вовлекаемых в клеточный обмен.

Высокоактивные клетки в тканях мозга содержат до 85 % воды. Мышечные клетки насыщены водой на 70 %. Менее активным клеткам, образующим жировую ткань, достаточно 40 % воды. Она в живых клетках не только растворяет неорганические химические вещества, она ключевой участник гидролиза органических соединений. Под ее воздействием органические вещества, расщепляясь, превращаются в промежуточные и конечные вещества.

Важность минеральных солей для клетки

Минеральные соли представлены в клетках катионами калия, натрия, кальция, магния и анионами HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , Cl - , HCO 3 - . Правильные пропорции анионов и катионов создают необходимую для жизни клетки кислотность. Во многих клетках поддерживается слабощелочная среда, которая практически не меняется и обеспечивает их стабильное функционирование.

Концентрация катионов и анионов в клетках отлична от их соотношения в межклеточном пространстве. Причина тому - активная регуляция, направленная на транспортировку химических соединений. Такое течение процессов обуславливает постоянство химических составов в живых клетках. После гибели клеток концентрация химических соединений в межклеточном пространстве и цитоплазме обретает равновесие.

Неорганические вещества в химической организации клетки

В химическом составе живых клеток нет каких-либо особых элементов, характерных только для них. Это определяет единство химических составов живых и неживых объектов. Неорганические вещества в составе клетки играют огромную роль.

Сера и азот помогают формироваться белкам. Фосфор участвует в синтезе ДНК и РНК. Магний - важная составляющая ферментов и молекул хлорофилла. Медь необходима окислительным ферментам. Железо - центр молекулы гемоглобина, цинк входит в состав гормонов, вырабатываемых поджелудочной железой.

Важность неорганических соединений для клеток

Соединения азота преобразуют белки, аминокислоты, ДНК, РНК и АТФ. В растительных клетках ионы аммония и нитраты в процессе окислительно-восстановительных реакций превращаются в NH 2 , становятся участниками синтеза аминокислот. Живые организмы используют аминокислоты для формирования собственных белков, необходимых для строительства тел. После гибели организмов белки вливаются в круговорот веществ, при их распаде азот выделяется в свободной форме.

Неорганические вещества, в составе которых есть калий, играют роль «насоса». Благодаря «калиевому насосу» в клетки сквозь мембрану проникают вещества, в которых они остро нуждаются. Калиевые соединения приводят к активизации жизнедеятельности клеток, благодаря им проводятся возбуждения и импульсы. Концентрация ионов калия в клетках весьма высока в отличие от окружающей среды. Ионы калия после гибели живых организмов легко переходят в природное окружение.

Вещества, содержащие фосфор, способствуют формированию мембранных структур и тканей. В их присутствии образуются ферменты и нуклеиновые кислоты. Солями фосфора в той или иной степени насыщены различные слои почвы. Корневые выделения растений, растворяя фосфаты, усваивают их. Вслед за отмиранием организмов остатки фосфатов, подвергаются минерализации, превращаясь в соли.

Неорганические вещества, содержащие кальций, способствуют формированию межклеточного вещества и кристаллов в растительных клетках. Кальций из них проникает в кровь, регулируя процесс ее свертывания. Благодаря ему формируются кости, раковины, известковые скелеты, коралловые полипы у живых организмов. Клетки содержат ионы кальция и кристаллы его солей.

Неорганические вещества в организме человека

Минералы играют большую роль в организме человека. Минеральные вещества активно участвуют во всех биохимических и межклеточных процессах происходящих внутри нас.

Периодическая система элементов (таблица Менделеева) насчитывает на сегодняшний день почти 120 химических элементов. Более 80-ти элементов обнаружены в организме человека. Из них человеку для нормальной жизнедеятельности необходимы около 20-ти макро- и микроэлементов.

Эссенциальные элементы. Жизненно важные (эссенциальные) микроэлементы оказывают действие на организм человека опосредованно, управляя жизнедеятельностью гормонов, ферментов, белков, жиров, углеводов, витаминов и других биологически активных веществ. Это управление происходит за счёт поддержания их определённого соотношения и концентрации в организме.

Макроэлементы:

а) Органогенные элементы

H, O, C, N - 98%

+ S, P - биоэлементы, образуют органические соединения.

б) K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl - около 2%

P, Ca – формирование костной ткани, прочность костей.

Са. После 4х главных элементов занимает пятое место. У взрослого человека за сутки из костной ткани выводится до 700мг кальция и столько же откладывается вновь. Следовательно, костная ткань помимо опорной функции, играет роль депо кальция и фосфора, откуда организм извлекает их при недостатке поступления с пищей.

Ca - обеспечивает свертываемость крови.

K, Na, Cl – проницаемость клеточных мембран, проведение нервного импульса.

Fe – входит в состав гемоглобина.

Mg - входит в состав хлорофилла у растений, в состав ферментов у животных.

Микроэлементы – содержание около 0,02%

Zn входит в состав инсулина – гормона поджелудочной железы, усиливает активность половых желез.

Cu обеспечивает рост тканей, входит в состав ферментов.

I входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы.

Zn входит в состав инсулина - гормона поджелудочной железы.

F входит в состав эмали зубов.

Co входит в состав витамина В 12 (кобаламин)

Mn обеспечивает обмен веществ.

B отвечает за процесс роста.

Mo отвечает за использование железа, за задержку фтора в организме.

Недостаток макро- и микроэлементов приводит к различным заболеваниям. И чтобы их предотвратить, необходимо употреблять определенные продукты питания. Недостаток или переизбыток в организме любого из этих элементов влечет серьезные изменения в его жизнедеятельности и нередко может привести к серьезным осложнениям. Поэтому для нормальной жизнедеятельности организма в нём должен поддерживаться определённый баланс минеральных веществ.

В Украине наиболее часто встречаются дефициты йода, цинка, селена, магния, марганца и меди . Кроме того, у женщин во время беременности и у детей в периоды сильного роста, нередко отмечается недостаток в организме железа .


  • При недостатке кальция развивается остеопороз (мягкость, пористость костей), замедление роста скелета. Необходимо употреблять молочные продукты.

  • При недостатке магния мускульные судороги, потеря жидкости организмом. Продукты: овощи, фасоль, орехи, молоко, фрукты.

  • При недостатке хлора - сухость кожи. Продукты: вода, поваренная соль.

  • При недостатке натрия – головная боль, слабая память, потеря аппетита. Продукты: помидоры, абрикосы, горох, поваренная соль.

  • При недостатке калия –аритмия сердечных сокращений, внезапная смерть при увеличении нагрузок. Продукты – бананы, сухофрукты, картофель, помидоры, кабачки.

  • Фосфор – внешние признаки недостаточности неизвестны. Содержится в рыбе, молочных продуктах, грецких орехах, гречке.

  • При недостатке железа развивается анемия. Необходимо употреблять печень, мясо, зеленые листья овощей.

  • При недостатке фтор а – разрушение зубов. Продукты - рыба, вода.

  • При недостатке цинка – повреждения кожи. Продукты – мясо, морские продукты.

  • При недостатке йода развивается зоб. Необходимо употреблять хурму, морепродукты, йодированную соль.

  • При недостатке меди – раковые заболевания, нарушение деятельности печени. Продукты – печень, яичный желток, цельное зерно.

  • При недостатке кобальта развивается злокачественная анемия. Продукты - печень, животные белки.


  • Кроме воды, в числе неорганических веществ, входящих в состав клетки, нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. В водном растворе они диссоциируют с образованием катиона металла и аниона кислотного остатка.

  • Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны

  • Катионы : K, Na, Ca, Mg .

  • Анионы: H2PO4, Cl,HCO3.

  • Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности высока концентрация ионов калия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.

  • Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов.

  • От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства.

  • Буферность – это способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается анионами H 2 PO 4 и НРО 4 .

  • Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 .

  • Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода и гидроксид-ионы, благодаря чему реакция внутри клетки не изменяется.

  • Соляная кислота создает кислую среду в желудке, ускоряя переваривание белков пищи.

  • Ионы кальция и фосфора содержатся в костной ткани.

  • Минеральные соли поступают в клетки организма из внешней среды. Избыток солей вместе с водой выводится из организма во внешнюю среду.


Похожие статьи