В человеческом организме обнаружено 86 химических элементов, входящих в состав Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Эти элементы условно разделяют на четыре группы:

• макроэлементы – элементы, составляющие основную массу клетки (приблизительно 98-99% в пересчете на сухую массу), среди которых углерод (C), водород (H), кислород (O) и азот (N);
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, составляет около 1,9%. Это калий (K), натрий (Na), кальций (Ca), магний (Mg), сера (S), фосфор (P), хлор (Cl) и железо (Fe);
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, менее 0,01% — микроэлементы. Это цинк (Zn), медь (Cu), фтор (F), йод (I), кобальт (Co), молибден (Mo) и др.
• элементы, содержание которых в клетке, в пересчете на сухую массу, менее 0,00001% — ультрамикроэлементы: золото (Au), уран (U), радий (Ra) и др.

Роль химических элементов в клетках живых организмов

Каждый элемент, входящий в состав живого организма, отвечает за выполнение определенной функции (табл. 1).

Таблица 1.Роль химических элементов в клетках живых организмов.

Недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию, и даже гибели организма, так как каждый элемент играет определенную роль. Макроэлементы первой группы составляют основу биополимеров — белков, углеводов, нуклеиновых кислот, а также липидов, без которых жизнь невозможна. Сера входит в состав некоторых белков, фосфор — в состав нуклеиновых кислот, железо — в состав гемоглобина, а магний — в состав хлорофилла. Кальций играет важную роль в обмене веществ

Часть химических элементов, содержащихся в клетке, входит в состав неорганических веществ — минеральных солей и воды. Минеральные соли находятся в клетке, как правило, в виде катионов (К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+) и анионов (HPO 4 2- , H 2 PO 4 — , СI — , НСО 3 —), соотношение которых определяет важную для жизнедеятельности клеток кислотность среды, так слабощелочная среда многих клеток и ее рН почти не изменяется, потому что в ней постоянно поддерживается определенное соотношение катионов и анионов.

Вода играет большую роль в химических реакциях, протекающих в клетке в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и тем самым способствует выводу их из организма. Большое содержание воды в клетке придает ей упругость. Вода способствует перемещению различных веществ внутри клетки или из клетки в клетку.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

В современных условиях одной из самых актуальных проблем преподавания химии становится обеспечение практической ориентированности предметного знания. Это означает необходимость выяснения тесной взаимосвязи между изучаемыми теоретическими положениями и практикой жизни, демонстрации прикладного характера химических знаний. Учащиеся с интересом начинают изучать химию. Для того чтобы сохранить познавательный интерес учащихся, нужно убедить их в действенности химических знаний, сформировать личную потребность в овладении учебным материалом.

Цель данного урока: расширить кругозор учащихся и повысить познавательный интерес к изучению предмета, формировать мировоззренческие понятия о познаваемости природы. Этот урок предлагается провести в 8 классе после изучения химических элементов Периодической системы, когда у ребят уже есть представление об их многообразии.

ХОД УРОКА

Учитель:

Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.
Как формула, как график трудовой,
Строй менделеевской системы строгий.
Вокруг тебя творится мир живой,
Входи в него, вдыхай, руками трогай.

Урок начинается театрализованной сценкой “Кто в таблице всех важнее?” (см. Приложение 1 ).

Учитель: В организме человека находятся 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, что ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.

На столах у учеников – таблицы “Биологическая роль химических элементов” (см. Приложение 2 ). Дается время на знакомство с ней. Учитель вместе с учениками проводит анализ таблицы, задавая вопросы.

Учитель: Основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов (H, C, N, О, Р, S), на долю которых приходится 98% массы живого вещества (остальные элементы периодической системы составляют не более 2%).
Три основных признака биогенных элементов (H, C, N, O, P, S):

• малый размер атомов,
• небольшая относительная атомная масса,
• способность образовывать прочные ковалентные связи.

Ученикам раздаются тексты (см. Приложение 3 ). Задание: внимательно прочитать текст; выделить элементы, необходимые для жизни, и элементы, опасные для живых организмов; найти их в Периодической системе и объяснить их роль.
После выполнения задания несколько учеников проводят анализ разных текстов.

Учитель: Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкуренцию и могут взаимозаменяться в живых организмах, отрицательно на них влияя.
Замена натрия и калия в организмах животных и человека на литий вызывает расстройства нервной системы, так как в этом случае клетки не проводят нервный импульс. Подобные нарушения приводят к шизофрении.
Таллий, биологический конкурент калия, заменяет его в стенках клеток, поражает центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки.
Селен может заменить серу в составе белков. Это единственный элемент, который при высоком содержании в растениях может вызвать внезапную смерть животных и человека, употребивших их в пищу.
Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме на стронций, который постепенно нарушает нормальную структуру скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, который в огромных количествах накапливается в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.
Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент снижает активность пищеварительных ферментов, нарушает процесс образования гликогена в печени, вызывает деформацию скелета, угнетает рост костей, а также вызывает тяжелые боли в пояснице и в мышцах ног, хрупкость костей (например, перелом ребер при кашле). Другие негативные последствия – рак легких и прямой кишки, нарушение функции поджелудочной железы. Поражение почек, снижение содержания в крови железа, кальция, фосфора. Этот элемент тормозит процессы самоочищения в водных и наземных растениях (отмечается, например, 20-30-кратное увеличение кадмия в листьях табака).
Галогены могут очень легко взаимозаменяться в организме. Избыток фтора в окружающей среде (фторированная вода, загрязнение почвы соединениями фтора вокруг предприятия по производству алюминия и другие причины) препятствует поступлению в организм человека йода. В связи с этим возникают заболевания щитовидной железы, эндокринной системы в целом.

Сообщения учащихся, подготовленные заранее.

1-й учащийся:

Средневековые алхимики считали золото совершенством, а остальные металлы – ошибкой в акте творения и, как известно, прикладывали большие усилия к ликвидации этой ошибки. Идею введения золота в медицинскую практику приписывают Парацельсу, который провозгласил, что целью химии должно быть не превращение всех металлов в золото, а приготовление лекарств. Лекарственные препараты из золота и его соединений пытались применять при многих заболеваниях. Им лечили проказу, волчанку, туберкулез. У людей, чувствительных к золоту, оно могло вызвать нарушение состава крови, реакцию со стороны почек, печени, влиять на настроение, рост зубов, волос. Золото обеспечивает работу нервной системы. Оно содержится в кукурузе. А крепость кровеносных сосудов зависит от германия. Единственный продукт питания, содержащий германий, – чеснок.

2-й учащийся:

В человеческом организме наибольшее количество меди содержится в мозге и печени, и одно это обстоятельство указывает на ее важность в жизнедеятельности. Обнаружено, что при болях повышается концентрация меди в крови и спинномозговой жидкости. В Сирии и Египте новорожденным для профилактики рахита и эпилепсии надевают медные браслеты.

3-й учащийся:

АЛЮМИНИЙ

Алюминиевую посуду называют посудой бедняков, так как этот металл способствует развитию старческого атеросклероза. При приготовлении пищи в такой посуде алюминий частично переходит в организм, где и накапливается.

4-й учащийся:

• Какой элемент содержится в яблоках? (Железо.)
• Какова его биологическая роль? (В организме содержится 3 г железа, из них 2 г – в крови. Железо входит в состав гемоглобина. Недостаточное содержание железа приводит к головной боли, быстрой утомляемости.)

Затем учащиеся проводят лабораторный опыт, цель которого – экспериментально доказать действие солей некоторых металлов на белок. Они смешивают белок с растворами щелочи и медного купороса и наблюдают выпадение фиолетового осадка. Делают вывод о разрушении белка.

5-й учащийся:

Человек – он ведь тоже природа.
Он ведь тоже закат и восход.
И четыре в нем времени года.
И особый в нем музыки ход.

И особое таинство цвета,
То с жестоким, то с добрым огнем.
Человек – он зима. Или лето.
Или осень. С грозой и дождем.

Все вместил в себя – версты и время.
И от атомных бурь он ослеп.
Человек – он и почва, и семя.
И сорняк среди поля. И хлеб.

И какая в нем брезжит погода?
Сколько в нем одиночества? Встреч?
Человек – он ведь тоже природа…
Так давайте природу беречь!

(С. Островой)

Для закрепления полученных на уроке знаний проводится тест “Улыбка” (см. Приложение 4 ).
Далее предлагается заполнить кроссворд “Химический калейдоскоп” (см. Приложение 5 ).
Учитель подводит итог урока, отмечая наиболее активных учеников.

6-й учащийся:

Перемена, перемена!
Заливается звонок.
Наконец-то он закончен,
Надоедливый урок!

Дернув серу за косичку,
Мимо магний пробежал.
Йод из класса испарился,
Будто вовсе не бывал.

Фтор поджег случайно воду,
Хлор чужую книжку съел.
Углерод вдруг с водородом
Невидимкой стать успел.

Калий, бром в углу дерутся:
Не поделят электрон.
Кислород – шалун на боре
Мимо проскакал верхом.

Используемая литература:

1. О.В. Байдалина О прикладном аспекте химических знаний. “Химия в школе” № 5, 2005 г.
2. Химия и экология в школьном курсе. “Первое сентября” № 14, 2005 г.
3. И. Н. Пименова, А. В. Пименов “Лекции по общей биологии”, учебное пособие, Саратов, ОАО Издательство “Лицей”, 2003 г.
4. О химии в стихах, Кто в таблице всех главнее? “Первое сентября”, № 15, 2005 г.
5. Металлы в организме человека.“Химия в школе”, № 6 , 2005 г.
6. Кроссворд “Химический калейдоскоп”. “Первое сентября”, №1 4, 2005 г.
7. “Я иду на урок химии”. Книга для учителя. М. “Первое сентября”, 2002 г., стр. 12.

1. Дайте определения понятий.
Элемент - совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева.
Микроэлемент - элемент, который в организме находится в очень низких концентрациях.
Макроэлемент - элемент, который в организме находится в высоких концентрациях.
Биоэлемент - химический элемент, участвующий в жизнедеятельности клетки, составляет основу биомолекул.
Элементный состав клетки - процентное содержание химических элементов в клетке.

2. Что является одним из доказательств общности живой и неживой природы?
Единство химического состава. Никакаих элементов, характерных только для неживой природы, не существует.

3. Заполните таблицу.

ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТКИ

4. Приведите примеры органических веществ, молекулы которых состоят из трех, четырех и пяти макроэлементов.
3 элемента: углеводы и липиды.
4 элемента: белки.
5 элементов: нуклеиновые кислоты, белки.

5. Заполните таблицу.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ

6. Изучите в § 2.2 раздел «Роль внешних факторов в формировании химического состава живой природы» и ответьте на вопрос: «Что такое биохимические эндемии, и каковы причины их происхождения?»
Биохимические эндемии – это заболевания растений, животных и человека, вызванные резким недостатком либо избытком какого-либо элемента в определенной области.

7. Какие вам известны заболевания, связанные с нехваткой микроэлементов?
Недостаток йода – эндемический зоб. Снижение синтеза тироксина и разрастание вследствие этого тканей щитовидной железы.
Недостаток железа – железодефицитная анемия.

8. Вспомните, по какому признаку химические элементы распределяют на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Предложите свою, альтернативную классификацию химических элементов (например, по функциям в живой клетке).
Микро-, макро- и ультрамикроэлементы делятся по признаку, основанному на процентному содержанию их в клетке. Кроме того, можно классифицировать элементы по функциям, регулирующие деятельность определенных систем органов: нервной, мышечной, кровеносной и сердечно-сосудистой, пищеварительной и т.д.

9. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Какими химическими элементами образовано большинство органических веществ?
2) С, О, Н, N;

Тест 2.
К макроэлементам не относится:
4) марганец.

Тест 3.
Живые организмы нуждаются в азоте, так как он служит:
1) составным компонентом белков и нуклеиновых кислот; 10. Определите признак, по которому все нижеперечисленные элементы, кроме одного, объединены в одну группу. Подчеркните этот «лишний» элемент.
Кислород, водород, сера, железо, углерод, фосфор, азот. Входит в состав только ДНК. А остальные все в белках.

11. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.

12. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – органоген.
Соответствие: термин, в принципе, соответствует своему первоначальному значению, но сегодня существует более точное определение. Ранее значение было таким, что элементы принимает участие лишь в построении тканей и клеток органов. Теперь же выяснено, что биологически важные элементы не только образуют химические молекулы в клетках и т.д., но и регулируют все процессы в клетках, тканях и органах. Они входят в состав гормонов, витаминов, ферментов и других биомолекул.

13. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.2.
Элементный состав клетки - это процентное содержание химических элементов в клетке. Элементы клетки принято классифицировать, в зависимости от их процентного содержания, на микро-, макро- и ультрамикроэлементы. Те элементы, которые участвуют в жизнедеятельности клетки, составляет основу биомолекул, называются биоэлементы.
К макроэлементам относятся: C N H O. Они – главные компоненты всех органических соединений в клетке. Кроме того, P S K Ca Na Fe Cl Mg – входят в состав всех важнейших биомолекул. Без них невозможно функционирование организма. Недостаток их приводит к смерти.
К микроэлементам: Al Cu Mn Zn Mo Co Ni I Se Br F B и др. Они также необходимы для нормального функционирования организма, но не так критично. Недостаток их вызывает болезнь. Они входят в состав биологически активных соединений, влияют на обмен веществ.
Есть ультрамикроэлементы: Au Ag Be и др. Физиологическая роль окончательно не установлена. Но они важны для клетки.
Существует понятие «биохимические эндемии» – заболевания растений, животных и человека, вызванные резким недостатком либо избытком какого-либо элемента в определенной области. Например, эндемический зоб (недостаток йода).
При недостатке элемента из-за образа питания также может возникнуть заболевание или недомогания. Например, при недостатке железа – анемия. При недостатке кальция – частые переломы, выпадение волос, зубов, боли в мышцах.

Минеральные вещества (минералы) - природные вещества, приблизительно однородные по химическому составу и физическим свойствам, входящие в состав горных пород, руд, метеоритов (от латинского minera - руда).

Минеральные вещества наряду с белками, жирами, углеводами и витаминами являются жизненно важными компонентами пищи человека, необходимыми для построения структур живых тканей и осуществления биохимических и физиологических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма. Минеральные вещества участвуют в важнейших обменных процессах организма: водно-солевом и кислотно-щелочном. Многие ферментативные процессы в организме невозможны без участия тех или иных минеральных веществ.

Организм человека получает эти элементы из окружающей среды, пищи и воды.

Количественное содержание того или иного химического элемента в организме определяется его содержанием во внешней среде, а также свойствами самого элемента, с учетом растворимости его соединений.

Впервые научные основы учения о микроэлементах в нашей стране обосновал В. И. Вернадский (1960). Фундаментальные исследования были проведены А.П. Виноградовым (1957) - основоположником учения о биогеохимических провинциях и их роли в возникновении эндемических заболеваний человека и животных и В.В. Ковальским (1974) - основоположником геохимической экологии и биогеографии химических элементов.

В настоящее время из 92 встречающихся в природе элементов 81 химический элемент обнаружен в организме человека.

Минеральные вещества составляют значительную часть человеческого тела по массе (в среднем, в организме около 3 кг золы). В костях минеральные вещества представлены в виде кристаллов, в мягких тканях - в виде истинного либо коллоидного раствора в соединении главным образом с белками. Для наглядности можно привести такой пример: в организме взрослого человека содержится около 1 кг кальция, 0,5 кг фосфора, по 150 г калия, натрия и хлора, 25 г магния, 4 г железа.

• Классификация химических элементов
  • Классификация химических элементов по их биологической значимости. Все химические элементы можно разбить на группы:
    • 12 структурных элементов, это углерод, кислород, водород, азот, кальций, магний, натрий, калий, сера, фосфор, фтор и хлор.
    • 15 эссенциальных (жизненно необходимых) элементов - железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, никель, ванадий, селен, марганец, мышьяк, фтор, кремний, литий.
    • 2 условно-необходимых элемента - бор и бром.
    • 4 элемента являются серьезными "кандидатами на необходимость" - кадмий, свинец, алюминий и рубидий.
    • Остальные 48 элементов менее значимы для организма.
  • Классификация химических элементов, основанная на количественной оценке их содержания в организме человека Традиционно все минеральные вещества делят на две группы по содержанию их в организме человека.
    • Макроэлементы.
    • Микроэлементы.

      Концентрация микроэлементов в организме невелика. В организме их содержатся количества измеряемые миллиграммами или микрограммами. Микроэлементы - это те минералы, оцениваемая диетическая потребность которых обычно менее чем 1 мкг/г и часто менее чем 50 нг/г рациона для лабораторных животных и человека.

      Несмотря на малую потребность, эти элементы входят в состав ферментных систем как коферменты (активаторы и катализаторы биохимических процессов). В группу микроэлементов входят: цинк, йод, фтор, кремний, хром, медь, марганец, кобальт, молибден, никель, бор, бром, мышьяк, свинец, олово, литий, кадмий, ванадий и другие вещества.

• Влияние минеральных веществ на организм человека.

  Минеральные вещества не обладают энергетической ценностью, как белки, жиры и углеводы. Однако без них жизнь человека невозможна. Так же, как и при недостатке основных пищевых веществ или витаминов, при дефиците минеральных веществ в организме человека возникают специфические нарушения, приводящие к характерным заболеваниям.

  Микроэлементы и витамины в некотором смысле даже более важны, чем питательные вещества, ибо без них последние не будут правильно усваиваться организмом.

  Особенно важны минеральные вещества детям, в период интенсивного роста костей, мышц, внутренних органов. Естественно, беременные женщины и кормящие матери нуждаются в повышенном потреблении минеральных веществ. С возрастом потребность в минеральных веществах снижается.

  • Дефицит и избыток потребления минеральных веществ

    Влияние микро- и макроэлементов на жизнедеятельность животных и человека активно изучается и в медицинских целях. Любая патология, любое отклонение в здоровье биологического организма сопровождается либо дефицитом жизненно необходимых (эссенциальных) элементов, либо избытком как эссенциальных, так и токсичных микроэлементов. Такой дисбаланс макро- и микроэлементов получил объединяющее название "микроэлементозы".

    Начиная с 1970-х годов было много спекулятивных заявлений относительно того, что недостаток микроэлементов вносит значительный вклад в возникновение ряда хронических заболеваний. Во многих случаях это утверждение было экспериментально подтверждено, однако некоторые ученные и сегодня считают, что недостаточное потребление определенного микроэлемента является значимым только тогда, когда организм подвергается стрессу, который увеличивает потребность в данном микроэлементе.

    Химические вещества при всей своей важности и необходимости для организма человека способны оказывать и отрицательное влияние на растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Кадмий, олово, свинец и рубидий считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже при относительно низких концентрациях. Биологическая роль некоторых микроэлементов в настоящее время не достаточно изучена.

    Необходимо помнить об определенных предосторожностях при употреблении минеральных комплексов (как лекарственных препаратов, так и биологически активных добавок к пище).

    Передозировка одного минерального вещества может привести к функциональным нарушениям и повышенному выделению другого минерального вещества. Возможно и развитие нежелательных побочных эффектов. Например, избыток цинка ведет к снижению уровня холестеринсодержащих липидов высокой плотности ("хорошего" холестерина).

    Избыток кальция может привести к недостатку фосфора, и наоборот.

    Избыток молибдена уменьшает содержание меди.

    Некоторые микроэлементы (селен, хром, медь) в избыточных дозах токсичны. Особенно это относится к солям многих металлов.

    При потреблении минеральных веществ, следует строго придерживаться медицинских рекомендаций.

  • Действие на организм человека тяжелых металлов

    В последние годы выделяют отдельно действие на организм человека тяжелых металлов. Тяжелые металлы - это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40.

    Появление в литературе термина "тяжелые металлы" было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов.

    Однако в группу "тяжелых" вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

    "Тяжелые" металлы - это свинец, кадмий, цинк, медь, никель, хром.

    В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства "тяжелых" металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания их в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека.

    Влияние "тяжелых" металлов на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых, химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды.

    Уже сейчас во многих регионах мира окружающая среда становится все более "агрессивной" с химической точки зрения. В последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель, особенно если на них выращиваются, а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения.

Современные научные данные о биологической роли изученных химических элементах, их метаболизме в организме человека, суточных нормах потребления, содержании химических веществ в продуктах питания представлены в отдельных статьях, описывающих каждый химический элемент. В статьях представлены также данные о дефицитных состояниях, развивающихся при недостаточном потреблении данных химических веществ, а также реакция организма на избыточное потребление нутриентов.

• Макроэлементы
  • Поваренная соль

• Микроэлементы