Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №4/2008

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

БОЛГОВА И.В.,
ШАПОШНИКОВА И.А.,
ФАНДО Р.А.

Продолжение. См. № 3/2008

Таблица Менделеева в живых организмах

Азот

Азот – биоэлемент, структурная единица органических соединений, участвует в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. Входит в состав важнейших биополимеров: белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); некоторых витаминов и гормонов. В воздухе азота содержится 78% по объему и 75,5% по массе.

Роль в жизни бактерий, грибов и растений

Азотфиксирующие бактерии способны усваивать азот непосредственно из воздуха, превращая его в аммиак. Они живут самостоятельно, например азотобактер, цианобактерии, азоспириллы, или поселяются в корнях бобовых растений (клевер, горох, люпин, вика и др.) – бактерии рода ризобиум. Над 1 га почвы в атмосфере содержится более 70 тыс. т свободного азота, и только в результате азотфиксации часть этого азота становится доступной для питания высших растений (содержание доступного для растения азота в почве очень невелико). При связывании N2 клубеньковыми бактериями в симбиозе с растениями семейства бобовых почва ежегодно обогащается азотом на 200–300 кг/га, а свободноживущие бактерии вносят в почву азота 1–3 кг/га в год. На рисовых полях свободноживущие цианобактерии фиксируют 30–50 кг молекулярного азота на 1 га в год. Известно довольно много азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты, дрожжевые и плесневые грибы, синезеленые водоросли.

Почвенные нитрифицирующие бактерии (нитрозомонас, нитробактер) окисляют аммиак (NH3), образующийся при гниении органических остатков, до азотной кислоты и нитратов. Процесс окисления идет в два этапа (образование нитритов NO2–, а затем нитратов NO3–):

1. Нитрозомонас: 2NH3 + 3O2 ––> 2HNO2 + 2H2O + энергия.

2. Нитробактер: 2HNO2 + O2 ––> 2HNO3 + энергия.

Некоторые бактерии (родов псевдомонас, алкалигенес, бациллус и др.) восстанавливают окисленные соединения азота (нитраты, нитриты) до газообразных продуктов (обычно до N2, иногда до оксида азота (I) N2O, редко – оксида азота (II) NO). Денитрификация препятствует накоплению оксидов азота, которые в высоких концентрациях токсичны.

Растения поглощают азот из почвы в виде растворимых нитратов и солей аммония (NH4+). Соли транспортируются в стебли и листья, где в процессе биосинтеза очень быстро превращаются в аминокислоты и белки – неотъемлемую часть любого живого организма.

Азот составляет 0,3–4,5% от массы растения. Он усиливает рост стеблей и листьев. При недостатке азота замедляется рост растения, образование хлорофилла, листья приобретают бледно-зеленую окраску и преждевременно желтеют, стебли становятся тонкими и слабо ветвятся, вновь образующиеся листья мельчают, цветки, не раскрываясь, засыхают и опадают. При длительном азотном голодании бледно-зеленые листья приобретают желтый, оранжевый или красный оттенки.

Существуют растения-индикаторы, которые великолепно растут при повышенном содержании азота в почве. Это хорошо знакомые нам крапива, малина, чистотел, пырей ползучий.

Роль в жизни животных и человека

Животные и человек получают азот в виде белков и других азотсодержащих продуктов из растений и животных. В животном организме содержится 1–10% азота (по массе), в шерсти и рогах – около 15%.

Азот необходим для процессов обмена веществ. Все важнейшие части клеток (цитоплазма, ядро, оболочка и др.) построены из белковых молекул.

Белки – необходимая составная часть питания человека и животных. В желудочно-кишечном тракте они расщепляются и всасываются в виде аминокислот и низкомолекулярных пептидов, из которых организм строит свои собственные аминокислоты и белки. Некоторые необходимые для жизни аминокислоты (так называемые незаменимые аминокислоты: валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, лизин, аргинин, гистидин, метионин) организм человека синтезировать не способен и получает их с пищей в «готовом» виде.

Физиологическая роль азота в организме связана прежде всего с белками и аминокислотами, их метаболизмом, участием в жизненно важных процессах. Аминокислоты являются исходными соединениями при биосинтезе гормонов, витаминов, пигментов и других веществ.

Из организма азот выводится вместе с мочой, калом, выдыхаемым воздухом, а также с потом, слюной и волосами.

Отсутствие или недостаток соединений азота в пище вызывает серьезные заболевания. Избыток их токсичен для живого организма.

Основные источники поступления в организм

Продукты животного происхождения: мясо, рыба, птица, молоко и молочные продукты. Продукты растительного происхождения: горох, соя, чечевица, орехи, грибы.

Наиболее распространенные соединения

N2 – азот.
NH4Сl – хлорид аммония.
NH4ОН – гидроксид аммония, нашатырный спирт.
NaNO2 – нитрит натрия.

Знаете ли вы, что…

  • Азот открыт Д.Резерфордом в 1772 г.

  • Название азот переводится как «безжизненный» (от греч. а – отрицание и зое – жизнь), латин-
    ское название «нитрогениум» происходит от греч. нитрон – селитра и генес – род, происхождение. Селитрами называют азотные удобрения:

    NaNO3 – натриевая (чилийская),
    KNO3 – калиевая (индийская),
    Ca(NO3)2 – кальциевая (норвежская),
    NH4NO3 – аммиачная.

  • Число атомов азота во всем теле человека 9,1х 1025, а в одной клетке – 9,1 х 1011.

  • В организме человека массой 70 кг содержится примерно 1,8 кг азота.

  • Содержание азота в крови составляет 3077 мг/л, в волосах – 140 000–157 000 мг/кг, а в ногтях – 146 000–148 000 мг/кг.

  • Суточное потребление азота с продуктами питания составляет 13–16 г.

  • Нашатырный спирт – 3–10% водный раствор аммиака – используется для возбуждения сердечной деятельности и центра дыхания. NH4Сl, хлорид аммония, – отхаркивающее средство. NH2Сl, моно-хлорамин, – дезинфицирующее средство. N2О оксид азота (I) в смеси c O2 кислородом применяется для газового наркоза. NaNO2, нитрит натрия, – спазмолитическое средство.

  • В состав белков всех живых организмов входят только 20 аминокислот, хотя в природе их известно около 180, причем 10 из них являются незаменимыми для человека и должны обязательно поступать в организм с животной и растительной пищей.

  • Химическая формула аминокислоты:

где

–R – радикал, по которому различаются все аминокислоты,
–N2H – основная аминогруппа,
–COOH – кислотная карбоксильная группа.

Углерод

Углерод – биоэлемент, структурная единица всех органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности, – белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот, витаминов, гормонов. Все живое, составляющее биосферу, построено из соединений углерода.

Роль в жизни растений

Углерод составляет в среднем 45% от массы растения: у водных растений его содержание доходит до 40%, у наземных – до 46%. В ряске, затягивающей стоячий пруд, 2,5% углерода (по массе), а в более высокоорганизованном колокольчике – 10,2% (по массе).
Углерод входит в состав углекислого газа атмосферы. В процессе фотосинтеза из углекислого газа, который растения поглощают из воздуха, и воды, под действием света образуются органические вещества – глюкоза, крахмал и др. По пищевым цепям готовые органические вещества передаются от растений животным. При окислении углеводов выделяется необходимая энергия.

Роль в жизни животных и человека

В организме животных и человека на углерод приходится около 21% по массе. В составе карбоната кальция (СаСО3) углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных, содержится в кораллах, яичной скорлупе. Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани.
Углеродсодержащие соединения – носители жизни: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины и др. Углерод необходим для процессов обмена веществ. В процессе жизнедеятельности организмов происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду углекислого газа СО2. Этот газ, растворенный в биологических жидкостях и природных водах, участвует в поддержании оптимальной для жизнедеятельности кислотности среды.

Наиболее распространенные соединения

СО2 – оксид углерода (IV), углекислый газ.
H2CO3 – угольная кислота.
СаСО3 – карбонат кальция.
С6Н12О6 – глюкоза.

Знаете ли вы, что…

  • История знакомства человечества с углеродом уходит далеко в глубь веков. Неизвестно, кто открыл углерод, неизвестно, какая из форм чистого углерода – графит или алмаз – была открыта раньше. Углерод – основная часть каменного угля (99%), бурого (72%), торфа (57%). Русское название происходит от слов – рождающий уголь, от лат. – карбонис (род. падеж карбо – древесный уголь).

  • В организме человека массой 70 кг содержится 15 кг углерода.

  • В 1 л крови человека содержится 25 000 мг углерода, а в 1 кг костной ткани – 280 000 мг.

  • В сутки в организм человека поступает вместе с воздухом около 3,7 г углерода, а с продуктами питания – около 300 г.

  • В медицине используются производные угольной кислоты H2CO3 и карбоновых кислот; карболен (активированный уголь) – для абсорбции газов и выведения из организма различных токсинов, графит (в виде мазей) – для лечения кожных заболеваний и др.

  • Химическая формула глюкозы – С6Н12О6.

  • Уравнение фотосинтеза: 6СО2+6Н2О ––> С6Н12О6 + 6О2.

  • Уравнение окисления глюкозы: С6Н12О6 + 6О2 ––> 6СО2 + 6Н2О + 38 АТФ.

  • Древние деревья, папоротники, мхи превратились в топливо, содержащее углерод, – каменный уголь, торф.

Фосфор

Роль в жизни растений

Фосфор входит в состав важнейших веществ клеток: ДНК и РНК, фосфолипидов (сложных эфиров глицерина, жирных кислот и фосфорной кислоты), сахарофосфатов (фосфорных эфиров сахаров), участвующих в фотосинтезе; АТФ – универсального энергетического вещества клетки.

Фосфор составляет 0,1–0,7% от массы растения. Из почвы, где фосфора содержится 800 мг/кг, растения получают его в виде солей в процессе корневого питания. Мировой урожай ежегодно уносит с полей более 3 млн т фосфора.

Фосфор ускоряет созревание плодов и повышает хладостойкость растений. При его недостатке замедляется обмен веществ в клетках, образуются слабые корни, пурпурные листья, задерживается созревание, снижается урожайность, происходит накопление пигмента антоцианина. На фоне зеленой окраски хлорофилла красная и лиловая окраски придают листьям голубоватый оттенок, а при сильном преобладании пигмента они становятся лиловыми. Кроме того, все части растения, содержащие мало хлорофилла – стебли, черешки, жилки, нижняя поверхность листьев, – окрашиваются в красноватые и лиловые цвета.

Роль в жизни животных и человека

В организме животных фосфор составляет в среднем 0,95% по массе. В организме человека содержится около 4,5 кг фосфора, чаще всего в соединении с кальцием. Из этого количества около 4,4 кг приходится на кости, около 130 г на мышцы и 12 г – на нервы и мозг, много фосфора содержится в крови и молоке.

Фосфор входит в состав липидов, ДНК, РНК, АТФ. Почти все важнейшие физиологические процессы человека и животных связаны с превращением фосфорсодержащих веществ: построение клеточных мембран, образование костей, поглощение и перенос глюкозы, глицерола и жирных кислот, энергетический метаболизм, кислотно-щелочное равновесие.

Для организма человека фосфора необходимо почти вдвое больше, чем кальция, хотя кальций и фосфор – «неразлучные» минеральные вещества, они не могут друг без друга. Фосфор, так же как и кальций, является составной частью костной ткани. Зубная эмаль – это соединение фосфора, близкое по составу и кристаллическому строению важнейшему минералу фосфора – гидроксиапатиту Ca5ОН(PO4)3. Если нарушается баланс фосфора и кальция, организм для своего «выживания» вынужден брать кальций из «костного запаса»: зубов, ногтей, крупных суставов.

В активно работающих органах – печени, мышцах, мозге – наиболее интенсивно расходуется АТФ. Фосфорсодержащий фермент фосфорилаза катализирует реакции, связанные с использованием запасных углеводов и, следовательно, обеспечивает клетки энергией. В процессе окисления углеводов в ткани мозга важную роль играют дифосфопиридиннуклеотид и неорганический фосфат. Поэтому академик А.Е. Ферсман назвал фосфор «элементом жизни и мысли». Суточная потребность в фосфоре составляет 1,3 г. Из организма фосфор выводится с мочой и калом.

Основные источники поступления в организм

Овощи: зеленый горошек, шпинат, бобы, чечевица, огурцы, цветная капуста, соя, редис, сельдерей, оливки. Злаки: овес, рожь, ячмень, пророщенная пшеница, цельные зерна пшеницы. Фрукты: яблоки, груши. Орехи: арахис, грецкие, кешью. Продукты животного происхождения: мясо, яйца, сыр, рыба (сардины, лосось), креветки, печень трески. Грибы.

Наиболее распространенные соединения

Р4 – белый фосфор.
Рn – красный фосфор.
Н3РО4 – ортофосфорная кислота.

Знаете ли вы, что…

  • Открыт фосфор в 1669 г. немецким алхимиком из Гамбурга Х.Брандом. При перегонке сухого остатка от выпаривания мочи Бранд заметил зеленоватое свечение, отсюда название элемента фосфорос – светящийся в темноте: от греч. фос – свет и форос – несущий.

  • В теле человека 1,4 х 1025 атомов фосфора, а в одной человеческой клетке – 1,4 х 1011.

  • В сутки с продуктами питания в организм человека поступает 1000–3000 мг фосфора.

  • Различные соединения фосфора входят в состав лекарственных препаратов для лечения заболеваний сердца, печени, желудка; фосфаты цинка используются как пломбировочный материал в стоматологии.

  • При изготовлении спичек массу, наносимую на спичечную головку, готовят из смеси красного фосфора Рn (состоит из полимерных молекул), горючих веществ, бертолетовой соли KClO3 и катализаторов (МnО2, Fе2О3).

  • Белый фосфор окисляется на воздухе, давая зеленое свечение в темноте. Он применяется в производстве фосфорной кислоты и красного фосфора, как реагент в органических синтезах, раскислитель сплавов, зажигательное средство. Белый фосфор чрезвычайно ядовит, опасная для жизни доза – более 50 мг.

Калий

Роль калия в жизни растений

Калия в растениях содержится в среднем 0,3 % по массе, причем, почти весь в ионной форме. Часть находится в клеточном соке, часть – в структурных элементах клетки (главным образом в протоплазме). В ядре ионы калия не обнаружены, значит, в процессах размножения и в передаче наследственных признаков калий не участвует. Роль калия в жизни растений велика и многообразна. Калий содержится в плодах, корнях, стеблях, листьях, причем в вегетативных органах его, как правило, больше, чем в плодах. В молодых растениях калия больше, чем в старых. Он активизирует синтез органических веществ в растительных клетках. Регулирует транспорт углерода в растении, в результате в ягодах и плодах при созревании увеличивается количество сахара. Хорошая обеспеченность растений калием усиливает рост корней, луковиц и клубней, повышает их зимостойкость. Он способствует поддержанию водного баланса растений, влияет на азотный обмен.

При недостатке калия в клетках накапливается избыток аммиака, что может привести к гибели растения, замедляется процесс фотосинтеза, дыхания и растяжения клеток, что вызывает гибель ростового кончика, нарушается окраска листьев (краевой ожог-запал) и даже их опадение. При недостатке калия плоды растений (фрукты) становятся менее сладкими, зерно у злаков – щуплое и невсхожее. Отсутствие калия приводит растение к гибели.

Роль в жизни животных и человека

В организме животных калия примерно 0,25–0,27% (по весу). Калий вместе с натрием создает трансмембранный потенциал клеток 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, 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 (особенно сердечной), образование гликогена, синтез белков, способствуют выделению из организма воды.

В организме человека масой 70 кг содержится 140 г 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, горох, соя, фасоль, морковь, лук, салат-латук, петрушка, спаржа, хрен, одуванчик, чеснок. Фрукты: черная смородина, чернослив, изюм и др. Мясо.

Наиболее распространенные соединения

КОН – гидроксид калия, едкий калий.
КСl – хлорид калия.
К24 – сульфат калия.

Знаете ли вы, что…

  • Калий впервые получен английским химиком и физиком Г.Дэви при электролизе едкого калия КОН в 1807 г. Название получил от арабского алкали – «щелочь, зола».

  • Число атомов калия в организме человека 2,2 х 1024, а в одной клетке – 2,2 х 1010.

  • Соли калия применяются в качестве мочегонных и слабительных средств.

  • Сердечникам, в первую очередь людям, перенесшим инфаркт миокарда, для восполнения потерь калия в организме настоятельно рекомендуют есть курагу, т.к. в 100 г кураги до 2 г калия.

  • Недостаток калия в почве восполняется калийными удобрениями: хлоридом калия (КСl), сульфатом калия (К24) и золой растений.

  • Соли калия окрашивают пламя в фиолетовый цвет, и их используют в пиротехнических составах для фейерверков.

Продолжение следует

 

Рейтинг@Mail.ru