§ 14. Биогенные элементы. Классификация элементов

Определения и обозначения

Биогенные элементы — химические элементы, входящие в состав живых организмов и необходимые для их жизнедеятельности. Их атомы образуют молекулы белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот и минеральных веществ. Понятие нужно, чтобы отличать элементы, действительно участвующие в работе организма, от случайных примесей.

Органогены — элементы, составляющие основу органических веществ: углерод C, водород H, кислород O и азот N; к ним часто относят также фосфор P и серу S. Углерод создаёт прочный каркас молекул, а H, O, N, P и S входят в функциональные группы и энергетические соединения. Выделение органогенов помогает быстро определить главные элементы живого вещества.

Макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы — группы биогенных элементов, различающиеся их содержанием в организме. Макроэлементы присутствуют в количестве более 0,01%, микроэлементы — в меньших количествах, а ультрамикроэлементы — в следовых количествах. Такое деление показывает не важность элемента, а его относительное содержание и помогает связать формулу вещества с его биологической функцией.

Как это устроено

Живой организм состоит из клеток, а клетки — из воды, солей и органических соединений. Поэтому биогенными становятся элементы, чьи атомы могут образовывать устойчивые связи и участвовать в реакциях при мягких условиях, характерных для клетки. Углерод особенно важен благодаря способности соединяться с самим собой и с H, O, N, P, S, создавая длинные цепи, кольца и разветвлённые структуры. Так возникает огромное разнообразие белков, углеводов, липидов и нуклеиновых кислот.

Кислород и водород входят в воду и большинство органических молекул, а также участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Азот необходим для аминокислот и оснований нуклеиновых кислот, поэтому без него невозможны белковый синтез и хранение наследственной информации. Фосфор входит в состав ДНК, РНК, АТФ и фосфатов костной ткани, а сера присутствует в некоторых аминокислотах и белках. Значит, роль органогенов определяется не только их количеством, но и строением соединений, которые они образуют.

Макроэлементы нужны в больших количествах, потому что из них построены ткани или поддерживается постоянство внутренней среды. Кальций и фосфор формируют минеральную основу костей, калий и натрий обеспечивают работу нервных клеток, магний входит в состав хлорофилла и активирует ферменты. Хлор участвует в поддержании водно-солевого равновесия и образовании соляной кислоты желудочного сока. Один и тот же элемент может выполнять несколько функций в разных тканях.

Микроэлементы требуются в малых дозах, поскольку часто работают как части активных центров ферментов или регуляторов обмена веществ. Железо входит в гемоглобин и позволяет переносить кислород, йод необходим для гормонов щитовидной железы, а цинк и медь участвуют в работе ферментов. Недостаток вызывает нарушения, но избыток тоже опасен: химическое вещество полезно лишь в определённом диапазоне концентраций. Поэтому классификация по содержанию не означает, что микроэлементы менее значимы, чем макроэлементы.

Классификация биогенных элементов

Пользуясь таблицей, сначала определите, относится ли элемент к органогенам, а затем оцените его содержание. Границы между группами могут немного различаться в разных источниках, поэтому при спорном случае нужно учитывать принятую в задаче классификацию. Для полного ответа полезно назвать не только группу, но и одну конкретную биологическую функцию элемента.

Разбор задач

Задача. Распределите элементы C, Ca, Fe и I по группам органогенов, макроэлементов и микроэлементов и укажите по одной функции каждого элемента. Нужно помнить, что группы могут пересекаться: органоген показывает химическую основу живого вещества, а макро- или микроэлемент — относительное содержание.

1. Определим органоген. Углерод C способен образовывать цепи и скелеты органических молекул, поэтому относим его к органогенам.
2. Определим элементы, содержащиеся в сравнительно больших количествах. Кальций Ca — макроэлемент: он входит в минеральную основу костей и участвует в сокращении мышц.
3. Оценим роль железа Fe. Его в организме меньше, чем макроэлементов, но оно необходимо для гемоглобина и переноса кислорода, поэтому Fe относим к микроэлементам.
4. Рассмотрим йод I. Он нужен в малом количестве и входит в состав гормонов щитовидной железы, следовательно, это микроэлемент.
5. Запишем результат без смешения признаков: C — органоген; Ca — макроэлемент; Fe и I — микроэлементы.

Ход решения показывает, почему одного перечисления символов недостаточно. Для C главным признаком стала способность строить органические соединения, для Ca — высокое содержание и строительная функция, а для Fe и I — малая концентрация при высокой биологической активности. Если в условии просят классификацию по содержанию, органогены отдельно не выделяют, а относят их к соответствующей количественной группе.

Ответ: C — органоген, основа органических молекул; Ca — макроэлемент, компонент костной ткани; Fe — микроэлемент, часть гемоглобина; I — микроэлемент, компонент гормонов щитовидной железы.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что микроэлемент не очень важен, потому что его мало. Так происходит из-за смешения понятий содержание и значение: ферменту может требоваться лишь несколько атомов металла. Проверка простая: для каждого элемента назовите функцию и спросите, нарушится ли она при дефиците.

Ошибка 2. Относить все биогенные элементы только к органогенам. Органогены — особая группа, а не синоним всех элементов организма; кальций, натрий или железо тоже биогенны, хотя не являются основой большинства органических молекул. Проверьте себя, разделив признаки: участие в составе органики и количество в организме.

Ошибка 3. Путать символ элемента с формулой вещества и его ролью. Запись Fe обозначает атомы железа, а гемоглобин — сложное вещество, содержащее железо, но не состоящее только из него. Чтобы не ошибиться, сначала назовите элемент, затем его соединение или биологическую функцию.

Связь с другими темами

Тема связана с периодическим законом: положение элемента и строение его атома помогают объяснить тип химических связей и свойства соединений в клетке. Например, углерод образует множество ковалентных соединений, а ионы натрия, калия и кальция участвуют в переносе зарядов и поддержании равновесия растворов.

Биогенные элементы также связывают неорганическую и органическую химию с биологией. Знание их соединений помогает понимать состав белков, АТФ, костной ткани, крови и гормонов, а понятия о растворах объясняют последствия недостатка или избытка солей.

Что запомнить

• Биогенные элементы необходимы живым организмам и входят в состав их веществ.
• Главные органогены — C, H, O, N; часто к ним добавляют P и S.
• По содержанию элементы делят на макро-, микро- и ультрамикроэлементы.
• Малое количество микроэлемента не означает малую биологическую роль.
• Для характеристики элемента нужно называть его группу и конкретную функцию.
• Недостаток и избыток необходимого элемента могут нарушать обмен веществ.