Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 34. Біологічне значення неметалічних елементів

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • оцінювати біологічне значення Оксигену, Нітрогену, Карбону, Фосфору, галогенів.

Оксиген - неметалічний елемент, важливий для всіх форм життя. Його масова частка в людському організмі становить 62 %, у кістковій тканині - 28,5 %; у м’язовій - 16 %. Оксиген є складником води, білків (17,9 %), жирів (22,4 %), вуглеводів (49,38 %), нуклеїнових кислот тощо. Він бере участь у тканинному й клітинному диханні: окиснює жири, білки та вуглеводи, що надходять з їжею.

Джерела надходження Оксигену в організм: повітря, їжа, вода. Добова потреба людини в кисні - 300-400 л (280 мл/хв). За нестачі кисню виникає асфіксія, гіпоксія, смерть від задухи. Надлишок кисню зумовлює брадикардію, судинозвужувальний ефект, збільшення опору периферичних судин, уповільнення кровотоку, посилення згортання крові. Якщо вміст кисню в повітрі сягає 30-40 %, відбувається киснева інтоксикація, що супроводжується гострим оксидозом, ураженням центральної нервової системи, опіком легень, кисневою пневмонією.

Нітроген, так само як Оксиген, - важливий для всіх форм життя неметалічний елемент. Масова частка Нітрогену в людському організмі становить близько 3 %; уміст у крові - 3,1 мг/мл. Уміст у м’язовій тканині - 7,2 %; у кістковій - 4,3%.

Нітроген є складником білків, амінокислот, нуклеїнових кислот, аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ) та інших важливих речовин. Він міститься у продуктах обміну. Амоніак нейтралізує надлишкові кислоти в організмі. Нітроген(ІІ) оксид - один з найважливіших імунотропних медіаторів, стимулює фагоцитоз і знищення внутрішньоклітинних паразитів, бере участь у підтриманні системної та локальної гемодинаміки. Він виконує роль нейротрансмітера у шлунково-кишковому тракті, сечовивідній та статевій системах. Нітроген(ІІ) оксид бере участь у видаленні молекул, що «старіють», цитохромів, каталази, гемоглобіну тощо.

Джерела надходження Нітрогену в організм - продукти тваринного походження, бобові (рис. 34.1). Добова потреба в Нітрогені становить 8-16 г.

Рис. 34.1. Харчові продукти, багаті на Нітроген

За нестачі білка загальний ріст організму уповільнюється. Надлишок азоту в повітрі призводить до кесонної хвороби, за підвищеного тиску розвивається задуха. Усі оксиди Нітрогену й амоніак токсичні.

Карбон - неметалічний елемент, важливий для всіх форм життя. Його масова частка в людському організмі - 21 %, у кістковій тканині - 36 %; у м’язовій - 67 %. Карбон входить до складу білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот, гормонів, ферментів, вітамінів тощо. Карбон(ІV) оксид у крові збуджує дихальний центр, розширює мозкові судини, підвищує збудливість серцевого м’яза. Гідрогенкарбонати Калію та Натрію є складниками буферних систем крові та тканин, що підтримують кислотно-лужний баланс організму. Етанова кислота бере участь у синтезі холестеролу.

Джерела постачання людського організму Карбоном - харчові продукти, повітря, мінеральні води (рис. 34.2). Добова потреба людини в Карбоні - 300 г у складі їжі. За нестачі Карбону в їжі відбувається загальне виснаження організму, зниження мозкової діяльності. Підвищення вмісту карбон(ІV) оксиду призводить до кисневого голодування. Токсичними для людини є сполуки Карбону - карбон(ІІ) оксид, карбон(ІV) оксид, гідроген ціанід HCN, сірковуглець CS2, фосген СOСl2 тощо.

Рис. 34.2. Усі ці харчові продукти містять Карбон

Фосфор - важливий для всіх форм життя неметалічний елемент. Його маса в організмі людини становить близько 780 г, уміст у крові - 345 мг/л, масова частка в кістковій тканині - 6,7-7,1 %, у м’язовій - 0,3-0,85 %. Фосфор входить до складу білків, вітамінів, нуклеїнових кислот, ферментів, фосфоліпідів тощо. Він бере участь в утворенні АТФ, у формуванні кісткової тканини й зубів, в обміні білків, жирів, вуглеводів, виконує провідну роль в обмінних процесах, що відбуваються в м’язах.

Гідрогенортофосфати Калію та Натрію є складниками буферних систем крові та тканинних рідин, що підтримують кислотно-лужний баланс організму. Фосфор потрібен для нормальної роботи центральної нервової системи. Цей хімічний елемент стимулює процеси запам’ятовування. Джерелами Фосфору є яйця, жирний сир, риба, житній хліб, горіхи, квасоля, горох, соя, кукурудза, листкові овочі (рис. 34.3).

Рис. 34.3. Харчові продукти, багаті на Фосфор

Добова потреба дорослої людини у Фосфорі становить 1,2 г, новонароджених - 0,12 г, дітей до року - 0,8 г, до 10 років - 1,65 г, до 15 років - 1,7-1,8 г, вагітних і жінок - 1,5 г. Засвоєнню Фосфору сприяють продукти, багаті на Кальцій, а перешкоджають - пшеничний хліб і крупи з хлібних злаків, алкоголь; надлишок Кальцію та Мангану.

Нестача Фосфору в організмі призводить до гальмуванням утворення РНК, ДНК, АТФ, затримання мінералізування кісток (рахіт, остеопороз, карієс зубів), зниження показників роботи нервової системи та інтелектуальної діяльності; втрати апетиту. Надлишок Фосфору в організмі може призвести до відкладання кальцій ортофосфату в м’яких тканинах і суглобах, деформації кісток через нерівномірне відкладення солей Кальцію та Фосфору, до сечокам’яної хвороби.

Фосфати нетоксичні; білий фосфор високотоксичний; радіоактивний Фосфор-32 здатний концентруватися в ланцюгах живлення (біологічне накопичення).

Флуор є хімічним елементом, важливим для всіх форм життя. Його вміст в організмі людини становить 2,6 г, уміст у крові - 0,5 мг/л, масова частка в кістковій тканині - 0,2-1,2 %, у м’язовій - 0,05 · 10-4 %. Він бере участь в утворенні кісток, зубів, волосся, нігтів, епідермісу. Цей елемент упливає на ферментативні процеси: знижує обмін вуглеводів, жирів, нормалізує фосфорно-кальцієвий обмін. Флуор упливає на імунобіологічний стан організму, рівень біологічно активних речовин у ньому, гальмує біосинтез сахаридів, потрібних для бактерій, які спричиняють розвиток карієсу. Він пригнічує тканинне дихання та функцію щитоподібної залози (поміркуйте чому). Цей елемент підсилює адаптацію до холоду, перешкоджає накопиченню в організмі Стронцію.

Джерела надходження Флуору до організму - питна вода, морепродукти, морська риба, горіхи, печінка, вівсяна крупа, баранина, яловичина, зубна паста (рис. 34.4). Добова потреба в ньому становить 3 мг (1 мг з їжею, 2 мг з водою). Його засвоєнню перешкоджає вітамін С.

Рис. 34.4. Харчові продукти, багаті на Флуор

Нестача Флуору може призвести до карієсу зубів, нерівномірного росту кісток, зниженню імунітету. Надлишок цього галогену в організмі призводить до крапчастості зубної емалі, ламкості кісток і зубів, остеопорозу, зниження рівня гемоглобіну крові; пригнічення утворення колагену тощо. Фтор, гідроген флуорид, натрій флуорид - високотоксичні речовини.

Хлор - важливий для всіх форм життя хімічний елемент. Його вміст у людському організмі становить близько 95 г, уміст у крові - 2890 мг/л, масова частка в кістковій тканині - 0,09 %; у м’язовій - 0,2-0,52 %. Хлор активізує деякі ферменти, впливає на електропровідність клітинних мембран, бере участь у регуляції осмотичного тиску крові й нормалізуванні водного обміну, підтримує кислотно-лужну рівновагу. Він є джерелом для утворення хлоридної кислоти в шлунку, бере участь у передаванні нервового імпульсу, сприяє відкладенню глікогену, впливає на ріст волосся та нігтів. Цей галоген здатний порушувати структуру подвійної спіралі ДНК й спричиняти її денатурацію.

Джерелами надходження до організму Хлору є кухонна сіль, капуста, печінка тріски, яєчний жовток, сир, шпинат, помідори. Добова потреба людини в ньому становить 3,0-6,6 мг. Засвоєнню Хлору заважає лікування сечогінними засобами, хвороби нирок.

За нестачі Хлору в організмі порушується функція шлунково-кишкового тракту внаслідок зниженої активності шлункового соку та слини, підвищується стомлюваність. Його надлишок може призвести до підвищення кислотності шлункового соку, розладу травлення, підвищення загальної кислотності організму, зниження апетиту, перезбудження нервової системи.

Бром також має неабияке значення в життєдіяльності організму. Його вміст становить 260 мг, уміст у крові - 4,7 мг/л, масова частка в кістковій тканині - 6,7 · 10-4 %; у м’язовій - 7,7 · 10-4 %. Бром є складником різних тканин організму (найбільше його в гіпофізі та спинному мозку). Він підсилює процес гальмування в центральній нервовій системі, діє заспокійливо, активізує ліпазу, пепсин. Цей елемент підсилює гормональну активність кори надниркових залоз, пригнічує функцію щитоподібної залози (поміркуйте чому), бере участь у регуляції рівня цукру в крові.

Джерелами Брому є кухонна сіль, морепродукти, диня (рис. 34.5). Добова потреба людини в ньому - 0,8-24 мг. За нестачі Брому людина відчуває підвищену стомлюваність, апатію; порушується обмін речовин, особливо жировий. Надлишок цього елемента призводить до зниження гостроти слуху, зору, чутливості.

Рис. 34.5. Харчові продукти - джерела Брому

Йод - неметалічний елемент, важливий для багатьох форм життя. Уміст Йоду в людському організмі становить 20-50 мг, уміст у крові - 0,057 мг/л, масова частка в кістковій тканині - 0,27 · 10-4 %, у м’язовій - (0,05-0,5) · 10-4 %. Йод входить до складу гормонів щитоподібної залози, які впливають на діяльність центральної нервової системи, ріст і загальний розвиток організму. Він регулює рівень основного обміну, підвищує стійкість організму до різних захворювань і холоду тощо.

Джерела надходження Йоду в організм людини: йодована сіль, морська капуста, морепродукти, печінка тріски, риб’ячий жир, гриби, овочі, часник, вода, повітря (рис. 34.6). Від 20 до 60 % Йоду втрачається під час тривалого зберігання продуктів або теплового оброблення їжі. Добова потреба людини в цьому елементі - 0,15-0,2 мг, вона різко зростає до 200 мкг під час вагітності та годування груддю (поміркуйте чому). Для немовлят добова потреба в Йоді - 50 мкг, для дітей від 1 року до 7 років - 90 мкг, для дітей від 7 до 12 років - 120 мкг.

Рис. 34.6. Харчові продукти - джерела Йоду

Нестача Йоду призводить до захворювання щитоподібної залози (наведіть приклади, які ви знаєте з курсу біології), лущення й сухості шкіри, може бути причиною раннього токсикозу вагітних, загрози викидня та передчасних пологів, порушення інтелекту. Надлишок Йоду в організмі також призводить до захворювання щитоподібної залози (якого саме?), зниження синтезу сполук цього елемента.

Як упливають Оксиген, Нітроген, Карбон, Фосфор, галогени на рослини? Про це вам багато відомо з курсів хімії та біології, зокрема значення кисню для дихання рослин, азоту, який фіксують бульбочкові бактерії, азотних і фосфорних добрив - для їхнього живлення, карбон(ІV) оксиду та води - для фотосинтезу тощо. Наслідки нестачі Нітрогену й Фосфору в живленні рослин ви можете схарактеризувати самостійно за рисунком 34.7 (зробіть це).

Рис. 34.7. Наслідки нестачі Нітрогену (1) та Фосфору (2) у живленні рослин

Флуор не є важливим для рослин елементом. Рослинні клітини реагують на нього відразу після його проникнення всередину тканини. Тому промислові підприємства, що забруднюють довкілля сполуками Флуору, можуть бути причиною масової загибелі рослинності.

Цікаво і пізнавально

Найчутливіші до флуорид-іонів цибуля, гладіолуси, фрезія, квасоля, сорго, ялина, сосна. Ці рослини потерпають уже за вмісту гідроген флуориду в повітрі близько 0,5 мкг/м . Для індикації забрудненості атмосфери сполуками Флуору використовують дві групи рослин: стійкі й нестійкі до них. Стійкі види накопичують цей елемент, і кількість фітотоксикантів у них є показником забрудненості повітря. Дуже чутливі до сполук Флуору рослини реагують навіть на слабкі його дози некрозом листків.

У рослинному організмі аніони Хлору беруть участь в енергетичному обміні, позитивно впливають на поглинання коренями кисню, контролюють водний баланс, беруть участь у фотосинтезі, окисно-відновних реакціях рослин. Науковці припускають, що Хлор запобігає зайвому всмоктуванню нітратів, високий уміст яких у рослині призводить до різних грибкових, бактеріальних і вірусних захворювань. Симптоми нестачі Хлору - в’янення, маленька й сильно розгалужена коренева система, часто з короткими кінчиками. На листках спостерігають крапчастість і хлороз країв. Дефіцит Хлору в капусти зумовлює зникнення в неї запаху. Надлишок Хлору призводить до утворення палених країв на молодому листі. Якщо рівень Хлору зависокий, саджанці слабо вкорінюються, а насіння може взагалі не прорости.

Роль сполук Брому в рослинах остаточно не встановлено. Є інформація про його регулювальний уплив у малих дозах на розвиток кореневої системи. У рослинних організмах Бром може заміщати Хлор і замість нього брати участь в енергетичному обміні. Унаслідок цього сповільнюється поглинання корінням кисню, порушується правильне функціонування продихів у рослин, що перешкоджає підтриманню нормального водного балансу й транспортуванню йонів у рослині. Тому за надмірного вмісту Брому рослини рано в’януть, на листках виникає крапчастість і хлороз країв.

У рослинному організмі Йод відіграє важливу роль у синтезі певних амінокислот і білків, він є природним антисептиком, має сильну антибактеріальну, противірусну, фунгіцидну дію й відповідає за імунітет рослин. У покритонасінних рослин і водоростей цей елемент є складником йодовмісних похідних тирозину.

Цікаво і пізнавально

За надлишку Йоду в ґрунті в каліфорнійського маку спостерігають аномалію росту - гігантизм квіток, а в деяких рослин у забарвленні квіток переважають невластиві їм жовто-червоні тони.

https://www.youtube.com/watch?v=NHqEthRCqQ4

https://www.youtube.com/watch?v=Cg1ern-3QBw

https://www.youtube.com/watch?v=d70iDxBtnas

ПРО ГОЛОВНЕ

• Оксиген, Нітроген, Фосфор, Карбон, галогени є біологічно значущими для організмів.

• Їхня нестача негативно позначається на організмах, а надлишок здебільшого є небезпечним.

• Збалансоване харчування людей і тварин, раціональне підживлення рослин є важливими чинниками здоров’я та врожайності.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. У консервах «Морська капуста» масою 100 г маса Йоду становить 400 мкг. Обчисліть масу (г) порції капусти, яку достатньо спожити, щоб задовольнити добову потребу дорослої людини в Йоді.
  • 3. У місцях із жарким кліматом часто спостерігають виражений флюороз зубів, хоча вміст Флуору в питній воді не перевищує норму. Поясніть цей факт.
  • 4. Поясніть, чому: а) після виявлення ознак флюорозу на зубах хворим призначають рентгеноскопію кісток; б) білкова дієта може призвести до підвищення в крові вмісту амоніаку та сечовини.
  • 5. Дізнайтеся про склад харчових добавок Е 338 та Е 340-343 та висловте припущення, чому тепер частіше доводиться лікувати хвороби, спричинені надлишком Фосфору в організмі, ніж його нестачею.
  • 6. Калій бромід - ефективний заспокійливий засіб. Поміркуйте й поясніть, чому його потрібно вживати лише за призначенням лікаря або лікарки й дотримуватися прописаного ними дозування.
  • 7. Складіть узагальнювальну таблицю «Біологічне значення неметалічних елементів».

Творча майстерня

  • 8. Складіть про один з неметалічних елементів, про які йшлося в параграфі, сенкан.