14.1. Общие представления о биогенных элементах

Определения и обозначения

Биогенные элементы — химические элементы, входящие в состав живых организмов и необходимые для их жизнедеятельности. Само обнаружение элемента в организме ещё не доказывает, что он необходим: нужно установить его роль в биологических процессах. Это понятие помогает отделить необходимые компоненты организма от случайных примесей.

Органогенные элементы — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, образующие основу важнейших органических веществ. Они входят в состав молекул, из которых построены клетки и ткани. Выделение этой группы показывает, какие элементы особенно важны для создания органических соединений.

Макроэлементы — биогенные элементы, содержащиеся в организме в сравнительно больших количествах. К ним относят, например, кальций, натрий и калий, а также многие органогенные элементы. Такая классификация позволяет сравнивать элементы по их доле в организме, а не только по выполняемой функции.

Микроэлементы и ультрамикроэлементы — необходимые элементы, присутствующие в малых или следовых количествах соответственно. Железо и йод нужны в небольших количествах, но без них не могут нормально протекать важные процессы. Название группы указывает на содержание элемента, а не на степень его значимости.

Как это устроено

Живые организмы не состоят из всех известных химических элементов, потому что для их построения подходят не любые атомы и соединения. Значение имеет распространённость элемента в окружающей среде: доступные элементы проще включать в состав клеток и постоянно получать с пищей или водой. Не менее важны химическая активность и способность образовывать достаточно устойчивые соединения: слишком инертные атомы мало участвуют в реакциях, а чрезмерно реакционноспособные могут разрушать молекулы организма.

Биогенные элементы входят в состав разных веществ организма, поэтому их нельзя свести только к органическим молекулам. Вода содержит водород и кислород, а минеральные соли — например, натрий, калий, кальций и хлор. Белки построены из аминокислот, жиры и углеводы содержат преимущественно углерод, водород и кислород, а нуклеиновые кислоты включают также азот и фосфор. Поэтому элементы образуют как крупные молекулы и структуры, так и растворённые ионы.

Органогенные элементы выделяют по роли в создании органических веществ, а макро-, микро- и ультрамикроэлементы — главным образом по относительному количеству. Значит, это не четыре отдельные группы, которые обязательно исключают друг друга: один элемент может относиться сразу к нескольким классификациям. Например, кислород — органогенный элемент и одновременно один из наиболее распространённых в организме макроэлементов. Такое разделение помогает отвечать на разные вопросы: из чего построены молекулы и сколько элемента содержится в организме.

Один элемент способен выполнять несколько функций, поскольку участвует в разных соединениях и процессах. Он может быть частью ткани или молекулы, входить в активный центр фермента — белка, ускоряющего химическую реакцию, — и влиять на работу клеток. Например, кальций входит в состав костной ткани и участвует в передаче сигналов внутри клеток. Поэтому роль элемента не всегда исчерпывается его присутствием в одной определённой структуре.

Даже малое количество элемента может быть критичным, если от него зависит работа фермента, гормона или другой важной системы. При нехватке нужные реакции замедляются или нарушаются, а последствия постепенно отражаются на организме. Избыток тоже опасен: он может менять концентрацию ионов, вмешиваться в обмен веществ или повреждать ткани. Для нормальной работы важны не только количество элемента, но и его химическая форма, место нахождения и доступность клеткам.

Группы биогенных элементов и их биологическое значение

Сначала определите, по какому признаку названа группа: органогенные — по роли в органических веществах, остальные три — преимущественно по содержанию. Затем соотнесите примеры и функции, учитывая, что классификации могут пересекаться. Последний столбец показывает возможные последствия нарушения уровня, но конкретный эффект зависит от формы элемента и организма.

Разбор задач

Задача 1. Распределите элементы C, O, N, Na, Ca, Fe, I и Zn по группам: органогенные элементы, макроэлементы и микроэлементы. Группы не обязательно взаимоисключающие, поэтому один элемент может попасть в несколько списков. Нужно не перепутать химическую роль элемента с количеством, в котором он содержится.

1. К органогенным относят C, H, O, N, P и S; из списка задачи подходят C, O и N.
2. Среди перечисленных макроэлементов — C, O, N, Na и Ca: первые три являются основными компонентами органических веществ, а натрий и кальций присутствуют в организме в сравнительно больших количествах.
3. Fe, I и Zn относят к микроэлементам: они необходимы, но присутствуют в небольших количествах.

Ответ: органогенные — C, O, N; макроэлементы — C, O, N, Na, Ca; микроэлементы — Fe, I, Zn. C, O и N оказались сразу в двух списках, потому что критерии классификации различны.

Задача 2. В организме массой 60 кг содержится 1,5% кальция, 0,006% железа и 0,00004% йода. Найдите массу каждого элемента и определите группу. Процентную долю нужно сначала перевести в дробь, разделив число на 100, а затем умножить на массу организма.

1. Кальций: 60 × 1,5 / 100 = 0,9 кг, или 900 г. Такое содержание соответствует макроэлементу.
2. Железо: 60 × 0,006 / 100 = 0,0036 кг, то есть 3,6 г. Это микроэлемент.
3. Йод: 60 × 0,00004 / 100 = 0,000024 кг, то есть 0,024 г, или 24 мг. Это также микроэлемент; малое количество не отменяет его необходимости.

Ответ: кальция содержится 900 г, железа — 3,6 г, йода — 24 мг. Кальций относится к макроэлементам, железо и йод — к микроэлементам. Границы между группами в разных классификациях могут задаваться по-разному, поэтому для учебной задачи следует использовать принятые в ней критерии.

Задача 3. Установите, какие элементы обеспечивают осмотическое равновесие, перенос кислорода и синтез гормонов щитовидной железы, а затем объясните опасность нарушения их содержания. Осмотическое равновесие связано с распределением воды и растворённых частиц, перенос кислорода — с белком крови, а гормоны щитовидной железы содержат определённый химический элемент.

1. Осмотическое равновесие поддерживают, в частности, ионы натрия и калия; оба элемента относятся к макроэлементам.
2. Перенос кислорода связан с железом в составе гемоглобина. Железо — микроэлемент, поскольку его нужно сравнительно мало.
3. Для образования гормонов щитовидной железы необходим йод, который тоже относят к микроэлементам.

Ответ: осмотическое равновесие — натрий и калий, перенос кислорода — железо, синтез гормонов щитовидной железы — йод. Дефицит может нарушить водно-солевой баланс, доставку кислорода или образование гормонов, а избыток способен нарушать обмен веществ и вредить организму.

Типичные ошибки

Ошибка: считать биогенными все элементы, обнаруженные в организме. Следы элемента могут попасть в организм случайно, поэтому само обнаружение не доказывает его необходимости. Такое заключение часто делают, путая присутствие с функцией. Проверьте себя: установлено ли участие элемента в жизненно важном процессе?

Ошибка: путать органогенные элементы с макроэлементами. Первые выделяют по роли в построении органических веществ, вторые — по относительному содержанию. Путаница возникает потому, что многие органогенные элементы действительно содержатся в организме в больших количествах. Чтобы проверить ответ, назовите критерий, по которому элемент попал в группу.

Ошибка: судить о важности только по содержанию. Микроэлементы нужны в небольших количествах, но могут входить в состав ферментов, гормонов или переносчиков веществ. Малую долю ошибочно принимают за незначительную роль. Проверьте себя: спросите, нарушится ли конкретный процесс при недостатке элемента.

Ошибка: считать, что чем больше элемента поступает, тем лучше. Для многих элементов важен определённый диапазон содержания: нехватка вызывает дефицит, а избыток нарушает обмен веществ или повреждает ткани. Эту ошибку допускают, считая полезное вещество безопасным в любой дозе. Проверяйте вывод с учётом нормы, химической формы и пути поступления элемента.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодическом законе, химических связях и классах неорганических и органических соединений. Они помогают объяснить, почему атомы входят в состав определённых молекул и как свойства элементов связаны с их ролью в организме. Далее эти представления пригодятся при изучении белков, нуклеиновых кислот и минерального обмена. Знания о микроэлементах применяют также в физиологии, экологии, питании, токсикологии и медицинской химии.

Что запомнить

• Биогенные элементы входят в состав живых организмов и необходимы для их жизнедеятельности.
• Основу органических веществ живых организмов составляют C, H, O, N, P и S.
• Макро-, микро- и ультрамикроэлементы различаются главным образом содержанием в организме.
• Один элемент может одновременно выполнять структурную, каталитическую и регулирующую функции.
• Недостаток и избыток биогенных элементов могут вызывать нарушения обмена веществ.
• Биологическое значение элемента определяется не только его количеством, но и формой присутствия в организме.