БІОНЕОРГАНІЧНА ТА БІООРГАНІЧНА ХІМІЯ - М.В. Яцков - 2014

І. ПРЕДМЕТ, ЗАВДАННЯ, МЕТОДИ ТА ОСНОВНІ НАПРЯМКИ ДОСЛІДЖЕНЬ БІОНЕОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

1.2. Роль хімічних елементів в будові біосфери

З більш ніж ста хімічних елементів періодичної системи Д.Менделєєва до складу всіх живих організмів входять вісімнадцять. Такі елементи як Карбон, Оксиген, Гідроген, Нітроген, Фосфор і Сульфур - є основою всіх біологічних систем, оскільки входять до складу білків і нуклеїнових кислот і складають основу життя на Землі. їх загальна назва - органогени.

Дванадцять інших елементів також необхідні для нормальної життєдіяльності організмів. До них відносяться два елемента- неметали - Хлор та Йод - і десять елементів-металів - Натрій, Калій, Магній, Кальцій, Манган, Ферум, Кобальт, Купрум, Цинк і Молібден. Ці десять елементів-металів отримали назву «металів життя», або біометалів, і вивчення їх ролі в живих організмах складає основне завдання біонеорганічної хімії.

В природі постійно існує колообіг хімічних елементів під впливом живої речовини. Живі організми безперервно викликають переміщення хімічних елементів - це їх геометрична функція. Будь- яке переміщення хімічних елементів в навколишньому середовищі називається міграцією хімічних елементів, а якщо міграція здійснюється за участю живої речовини, її називають біогенною (табл. 1).

Таблиця 1

Розповсюдженість хімічних елементів в земній корі

(за декадами В, Вернадського)

Та частина планети, в якій проявляється життя у всьому своєму різноманітті, називається біосферою. Хімічні елементи знаходяться в біосфері у постійному русі. Це залежить від геохімічних і біохімічних процесів, які протікають в біосфері, а також від виробничої діяльності людини. У зв’язку з цим хімічні елементи зустрічаються в грунтах, водах, повітрі, організмах рослин, тварин і людини. Хімічні елементи вибірково концентруються живими організмами в залежності від розчинності сполук елементів в середовищі існування живого організму. Геохімічна функція елемента визначається тим, який хімічний елемент здатний накопичуватися.

Силіцій, Алюміній, Титан є досить розповсюдженими елементами в земній корі, однак внаслідок малої розчинності їх природних сполук вони в досить малих кількостях містяться в організмах. Інші елементи, такі як Йод, Сульфур, Фосфор, Молібден, хоча й знаходяться в земній корі в невеликих кількостях, але концентруються організмами в значній мірі (табл. 2).

Таблиця 2

Вміст хімічних елементів в земній корі, грунтах, морській воді, рослинах, тваринах, % (за А. Виноградовим)

На основі природного відбору впродовж міліардів років природа визначила необхідні для побудови живих систем шість основних елементів-органогенів (Карбон, Оксиген, Гідроген, Нітроген, Фосфор, Сульфур), загальна масова частка яких в організмі складає 97,5 %.

Особлива роль в побудові всього живого належить Карбону. На відміну від всіх інших елементів, число валентних електронів Карбону дорівнює числу валентних орбіталей. Це одна з основних причин утворення достатньо тісних і енергоємних зв’язків і виключної схильності Карбону до утворення гомоланок.

Порівняльна характеристика зв’язків Карбону, Нітрогену, Оксигену та Флуору:

Атоми Гідрогену в структурі живих організмів здатні переміщуватись від однієї молекули до іншої у вигляді йонів Н+. Йон Гідрогену може віддати свій електрон в ланцюжок так званих переносників (наприклад, білкових сполук феруму - цитохромів). Рухаючись по цьому ланцюжку, електрон втрачає енергію і сприяє утворенню багатих енергією макрооргічних сполук (АТФ). Такий спосіб використання енергії розповсюджений в природі і є важливим механізмом життєдіяльності, в значній мірі він визначає біологічну цінність Гідрогену.

Оксиген в живих організмах під впливом ферментів здатний приєднувати електрони, перетворюючись у негативно заряджені йони. Ці йони з йонами Гідрогену утворюють воду або гідроген пероксид.

Таким чином, Гідроген і Оксиген є носіями окисно-відновних властивостей живих систем. Входячи до складу органічної молекули, вони забезпечують рухому єдність протилежних властивостей, які належать лише сполукам Карбону. Нітроген, Фосфор і Сульфур входять до складу нуклеїнових кислот, за допомогою яких здійснюється передача спадкових ознак і відтворення клітин і організмів.

Класифікація хімічних елементів в біонеорганічній хімії

За вмістом хімічних елементів в живих організмах А. Виноградов поділив всі елементи на три групи: макроелементи (масова частка їх в живій речовині складає від 10 до 0,01%-відсотка), мікроелементи (масова частка від 10^-2 до 10^-5%-відсотка) і ультрамікроелементи (масова частка менше 10^-5 %-відсотка).

В. Вернадський поділив всі хімічні елементи, які містяться в живих організмах, по декадах (табл. 3).

Вчений В. Ковальський вдосконалив поділ і поділив всі хімічні елементи на три групи за такими ознаками:

I група - елементи, які беруть участь в обміні речовин і є незмінними, — O, C, H, N, Ca, P, K, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Cu, I, Mn, V, Mo, Co, Se;

II група - елементи, біологічна роль яких або вивчена недостатньо, або не вивчена взагалі, - Sr, Cd, Br, F, B, Si, Be, Ni, Li, Cs, Cn, Al, Ba, Rb, Ti, Ag, Ga, Ge, As, Hg, Pb, Bi, Sb;

III група - елементи, біологічна роль яких зовсім не вияснена, — Sc, Tl, Nb, Te, W, Au, La і лантаноїди тощо (табл. 3).

Таблиця 3

Середня масова частка хімічних елементів в живій речовин (за В, Вернадським)

А. Вєнчиков здійснив класифікацію всіх елементів незалежно від кількісного вмісту їх в живих організмах за фізіологічними і біохімічним ознаками. За цією класифікацією всі елементи, фізіологічна роль яких точно встановлена, отримали назву біотичних елементів. Основними ознаками біотичності хімічних елементів є: 1) сталий вміст елемента в живому організмі; 2) існування дефіциту елемента для нормальної функції організму;

3) знаходження елемента в структурі біологічно активних речовин або участь у виконанні їх функцій; 4) фізіологічна і біохімічна активність елементів в реальних кількостях в природних умовах життєдіяльності організму (табл. 4).

Таблиця 4

Розміщення біометалів в періодичній системі елементів