Вступление
00:00:00Общая элементарная основа жизни и классификация по распространенности Клетки различных организмов содержат одни и те же химические элементы: в клетках содержится более 80 элементов, и ни один из них не относится исключительно к живой материи. Это единство связывает живую и неживую природу на Земле. Элементы подразделяются по их количественному содержанию на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. В организмах элементы существуют в составе соединений — органических и неорганических — или в виде ионов, а не свободных атомов.
Органогены (C, H, O, N) лежат в основе органических молекул Около 98% массы клетки образуется из четырех органогенов — углерода, водорода, кислорода и азота, которые присутствуют во всех органических соединениях. Универсальные ковалентные связи углерода образуют крупные органические молекулы, способствуют бикарбонатной буферизации и формируют раковины моллюсков. Азот является неотъемлемой частью белков, нуклеиновых кислот и витаминов. Кислород и водород образуют воду — основной клеточный компонент — и также входят в состав органических молекул.
Функции K, Na, S, P, Ca, Mg, Fe и Cl Остальные макроэлементы — сера, фосфор, калий, натрий, кальций, магний, железо и хлор — в совокупности составляют около 2% массы клеток, но при этом играют важную роль. Калий и натрий создают мембранный потенциал, обеспечивают возбудимость клеток и проведение нервных импульсов, а также регулируют водный баланс и осмотический потенциал. Сера входит в состав аминокислот, инсулина и витамина В1; фосфор укрепляет кости и эмаль, нуклеиновые кислоты, АТФ/NTP и фосфолипиды. Кальций поддерживает клеточные стенки растений, кости и зубы животных, а также активирует свертываемость крови и сокращение мышц. Магний входит в состав хлорофилла и управляет энергетическим обменом и синтезом ДНК, железо структурирует гемоглобин, миоглобин и ферменты, а хлор поддерживает кислотность желудочного сока и осмотическое давление плазмы.
Микроэлементы Обеспечивают биохимический Контроль; Ультрамикроэлементы Проявляют Ограниченные, Специфические эффекты Микроэлементы — бор, марганец, цинк, медь, кобальт, фтор, йод, бром и молибден - входят в состав ферментов, гормонов и витаминов, регулируя обмен веществ, усвоение элементов, а иногда и накапливаясь в организме. Бор улучшает структуру костей, регулирует обмен Ca, P, F, Zn и Mg и помогает регулировать работу центральной нервной системы; марганец поддерживает окисление жирных кислот, дыхание и фотосинтез. Цинк входит в состав инсулина и ферментов, связанных с ростом; медь участвует в кроветворении и синтезе гемоглобина; кобальт входит в состав витамина В12. Фтор укрепляет зубную и костную ткань; йод образует гормоны щитовидной железы, дефицит которых вызывает эндемический зоб и нарушение функции щитовидной железы; бром усиливает тормозные процессы в ЦНС; молибден входит в состав ферментов. Роль ультрамикроэлементов — золота, ртути, радия, бериллия, серебра, урана и цезия — не до конца определена, хотя золото и серебро обладают бактерицидными свойствами, а ртуть может подавлять реабсорбцию воды в почечных канальцах.
Полярность молекул воды и водородные связи определяют ее свойства Вода доминирует в клеточном составе, варьируясь от низкого содержания в костях до примерно 40% в жировой ткани и достигая примерно 60-90% в организме; потеря примерно 20% является смертельной для клеток. Каждая молекула воды представляет собой изогнутый диполь, в котором электроотрицательный кислород поглощает электронную плотность и частично заряжает водород. Водородные связи между молекулами обеспечивают высокое поверхностное натяжение и теплоемкость, а также повышают температуры плавления и кипения, сохраняя воду жидкой, несмотря на ее низкую молекулярную массу. При замерзании пространство, связанное водородными связями, расширяется, что снижает плотность, и лед всплывает на поверхность. Эти структурные особенности объясняют необычное поведение воды в биологических системах.
Вода Улучшает работу Клеток; Минеральные соли стабилизируют гомеостаз Вода выступает в качестве универсального растворителя и реакционной среды, поставляет свободный водород и кислород, поддерживает тургор, быстро распределяет тепло и охлаждает организм за счет испарения. Она также обеспечивает транспорт веществ внутри клеток и по всему организму. Минеральные соли поддерживают постоянство внутренней среды, поддерживают буферные системы и служат активаторами и компонентами ферментов, витаминов и многих гормонов, обеспечивая при этом структурный материал для органического синтеза и скелета организма. Их ионы генерируют мембранные потенциалы, которые лежат в основе возбудимости мышечных и нервных клеток, создают осмотическое давление и стимулируют пассивный и активный транспорт посредством градиентов концентрации.