Биогенные элементы

Биогенные элементы — это химические элементы, входящие в состав живых организмов и необходимые для их жизнедеятельности. Они составляют основу органических и неорганических соединений, из которых построены клетки, ткани и органы. В зависимости от содержания в живом веществе и физиологической роли биогенные элементы подразделяются на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

История изучения

Представления о химическом составе живых организмов формировались с развитием аналитической химии и физиологии. В XVIII—XIX веках учёные (Антуан Лавуазье, Юстус фон Либих) установили, что основу органических веществ составляют углерод, водород, кислород и азот. В XX веке, с внедрением спектроскопии, хроматографии и радиоизотопных методов, были открыты и количественно определены многие микроэлементы, присутствующие в живых тканях в ничтожных концентрациях. Ключевой вклад в изучение биологической роли микроэлементов внесли В. И. Вернадский (учение о биосфере), А. П. Виноградов (геохимия живого вещества) и К. Шварц (открытие селена как эссенциального элемента).

Классификация

Биогенные элементы классифицируют по нескольким признакам: по содержанию в организме, по биологической значимости и по происхождению.

По содержанию в организме

• Макроэлементы: элементы, содержание которых в живом веществе превышает 0,01 % от массы тела. К ним относятся:
• Органогены: углерод (C), водород (H), кислород (O), азот (N) — составляют основу белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Их суммарная доля в организме человека достигает 96–98 %.
• Другие макроэлементы: кальций (Ca), фосфор (P), калий (K), сера (S), натрий (Na), хлор (Cl), магний (Mg). Их содержание варьируется от 0,1 % до 1–2 %.
• Микроэлементы: элементы, содержание которых составляет от 0,001 % до 0,01 %. К ним относятся железо (Fe), цинк (Zn), медь (Cu), марганец (Mn), молибден (Mo), кобальт (Co), йод (I), фтор (F), селен (Se) и другие.
• Ультрамикроэлементы: элементы, содержание которых менее 0,000001 %. Их роль часто не до конца изучена, но для некоторых (например, ванадий, хром, никель) установлена физиологическая активность.

По биологической значимости

• Эссенциальные (незаменимые): элементы, без которых невозможны нормальная жизнедеятельность, рост и размножение. Их дефицит или избыток приводит к нарушениям обмена веществ и заболеваниям. Примеры: железо, йод, цинк, селен.
• Условно-эссенциальные: элементы, необходимые для некоторых видов организмов или при определённых условиях. Например, кремний (Si) важен для роста костной ткани и растений, но его обязательность для человека окончательно не доказана.
• Токсичные: элементы, не выполняющие физиологических функций и оказывающие вредное воздействие даже в малых дозах (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк). Однако некоторые из них (например, мышьяк) в сверхмалых дозах могут проявлять стимулирующее действие.

Физиологическая роль

Макроэлементы

• Углерод, водород, кислород, азот — образуют скелет органических молекул. Углерод способен формировать длинные цепи и циклы, что лежит в основе разнообразия органических соединений.
• Кальций — основной компонент костной ткани и зубов (в виде гидроксиапатита), участвует в мышечном сокращении, передаче нервных импульсов, свёртывании крови.
• Фосфор — входит в состав АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), фосфолипидов клеточных мембран. Участвует в энергетическом обмене.
• Калий и натрий — поддерживают водно-солевой баланс, создают мембранный потенциал, необходимый для проведения нервных импульсов и работы мышц.
• Магний — кофактор многих ферментов (в том числе АТФ-аз), стабилизирует структуру рибосом и нуклеиновых кислот, участвует в синтезе белка.
• Хлор — входит в состав желудочного сока (соляная кислота), участвует в поддержании осмотического давления.

Микроэлементы

• Железо — входит в состав гемоглобина (перенос кислорода), миоглобина, цитохромов (дыхательная цепь митохондрий). Дефицит приводит к анемии.
• Цинк — кофактор более 300 ферментов, участвует в синтезе ДНК, делении клеток, работе иммунной системы, заживлении ран.
• Медь — входит в состав ферментов (цитохромоксидаза, супероксиддисмутаза), участвует в синтезе коллагена, эластина, меланина.
• Йод — необходим для синтеза гормонов щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин), регулирующих обмен веществ. Дефицит йода вызывает эндемический зоб.
• Селен — входит в состав селенопротеинов (глутатионпероксидаза), защищает клетки от окислительного стресса, важен для работы щитовидной железы и репродуктивной системы.
• Марганец — активирует ферменты, участвующие в синтезе хрящевой ткани, метаболизме углеводов и аминокислот.
• Молибден — кофактор оксидаз (ксантиноксидаза, сульфитоксидаза), участвует в метаболизме пуринов и серосодержащих аминокислот.
• Кобальт — входит в состав витамина B12 (цианокобаламин), необходим для кроветворения и функционирования нервной системы.
• Фтор — участвует в минерализации костной ткани и зубной эмали, предотвращает развитие кариеса.

Биогеохимические циклы

Биогенные элементы участвуют в круговороте веществ в биосфере, переходя из неживой природы в живые организмы и обратно. Основные циклы включают:

• Круговорот углерода: фотосинтез (фиксация CO2 растениями) → дыхание и разложение органики (выделение CO2) → сжигание ископаемого топлива.
• Круговорот азота: азотфиксация (бактерии превращают N2 в аммиак) → нитрификация → усвоение растениями → денитрификация (возврат N2 в атмосферу).
• Круговорот фосфора: выветривание горных пород → усвоение растениями → потребление животными → возврат в почву и водоёмы с экскрементами и при разложении.
• Круговорот серы: вулканическая деятельность и бактериальное разложение → усвоение растениями → выделение сероводорода при разложении.

Применение в медицине и сельском хозяйстве

Знание о биогенных элементах лежит в основе:

• Минерального питания растений: внесение макро- и микроудобрений (азотные, фосфорные, калийные, а также борные, медные, цинковые) для повышения урожайности.
• Микроэлементозов: диагностики и коррекции дефицита или избытка элементов у человека и животных. Например, применение препаратов железа при анемии, йодированной соли для профилактики зоба, селенсодержащих добавок.
• Биогеохимического районирования: выявления регионов с недостатком или избытком определённых элементов (например, эндемический зоб в районах с низким содержанием йода в почве и воде, флюороз при избытке фтора).

Интересные факты

• В организме человека массой 70 кг содержится около 45,5 кг кислорода, 12,6 кг углерода, 7 кг водорода, 2,1 кг азота, 1,4 кг кальция и 0,7 кг фосфора. Суммарная масса всех микроэлементов не превышает 100 г.
• Некоторые элементы (например, кремний) входят в состав скелетов диатомовых водорослей и радиолярий, а также играют роль в формировании костной ткани у высших животных.
• Ванадий, хром и никель долгое время считались токсичными, но позднее была установлена их эссенциальная роль для некоторых организмов (например, ванадий необходим для асцидий, хром — для метаболизма глюкозы у млекопитающих).
• В 1970-х годах было доказано, что селен является незаменимым микроэлементом; ранее он считался только токсичным.

Источники

1. Вернадский В. И. «Химическое строение биосферы Земли и её окружения». — М.: Наука, 1965.
2. Виноградов А. П. «Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах». — М.: Изд-во АН СССР, 1957.
3. Авцын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. «Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология». — М.: Медицина, 1991.
4. Скальный А. В., Рудаков И. А. «Биоэлементы в медицине». — М.: ОНИКС 21 век, 2004.
5. Кудрин А. В., Скальный А. В., Жаворонков А. А. и др. «Иммунофармакология микроэлементов». — М.: КМК, 2000.
6. Учебник «Биологическая химия» под ред. С. Е. Северина. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2019.