Макроэлементы в биологии и химии¶
Макроэлементы — химические элементы, содержащиеся в организмах в относительно больших количествах (обычно не менее 0,01 % массы организма). Термин противопоставляется микроэлементам, которые присутствуют в концентрациях от 0,00001 до 0,01 %. К макроэлементам относят около 10–13 элементов, входящих в состав белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, минералов костей и других структурных и функциональных компонентов живых систем.
¶Классификация
Макроэлементы принято делить на две группы.
¶Биогенные (органические) макроэлементы
Входят в состав органических молекул и формируют основу органического вещества живых организмов:
| Элемент | Символ | Содержание в организме человека, % | Основные функции |
|---|---|---|---|
| Кислород | O | ~65 | Входит в состав воды и всех органических молекул, участник окислительно-восстановительных реакций |
| Углерод | C | ~18 | Основа органических соединений, каркас всех биомолекул |
| Водород | H | ~10 | Входит в состав воды и органических молекул, участвует в энергетическом обмене |
| Азот | N | ~3 | Компонент белков, нуклеиновых кислот, АТФ, хлорофилла |
| Фосфор | P | ~1 | Составная часть нуклеиновых кислот, АТФ, костей и зубов |
| Сера | S | ~0,25 | Входит в состав аминокислот цистеина и метионина, коферментов |
¶Биоминеральные (неорганические) макроэлементы
Присутствуют преимущественно в неорганической форме — в виде ионов, солей, минералов:
| Элемент | Символ | Основные функции |
|---|---|---|
| Кальций | Ca | Структурный компонент костей и зубов, участник мышечного сокращения и свёртывания крови |
| Натрий | Na | Поддержание осмотического давления, проведение нервных импульсов |
| Калий | K | Регуляция сердечного ритма, внутриклеточный катион |
| Магний | Mg | Кофактор более 300 ферментов, компонент хлорофилла у растений |
| Хлор | Cl | Компонент соляной кислоты желудочного сока, поддержание кислотно-основного баланса |
| Железо* | Fe | Компонент гемоглобина и миоглобина |
| Йод | I | Составная часть гормонов щитовидной железы |
*Железо и йод в некоторых классификациях относят к микроэлементам; граница между группами условна и зависит от роли элемента в конкретном организме.
¶Функции макроэлементов
Макроэлементы выполняют в живых организмах несколько ключевых ролей:
- Структурная — кальций и фосфор формируют минеральную основу костей (гидроксиапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂); углеродный скелет составляет основу всех биомолекул.
- Регуляторная — ионы натрия, калия и кальция обеспечивают проведение нервных импульсов и мышечное сокращение.
- Осмотическая — натрий и хлор поддерживают осмотическое давление внеклеточных жидкостей.
- Транспортная — железо в составе гемоглобина переносит кислород.
- Катализаторическая — магний и марганец (в ряде классификаций — макроэлемент) служат кофакторами ферментов.
- Энергетическая — фосфор входит в состав АТФ — главного переносчика энергии в клетке.
¶Макроэлементы в растениях
Для растений список макроэлементов включает: азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу, железо, марганец, бор, медь, цинк, молибден, хлор. Азот, фосфор и калий считаются наиболее востребованными и потому выделяются в группу главных элементов питания растений. Дефицит каждого из них проявляется характерными симптомами:
- Азот — пожелтение старых листьев, отставание в росте.
- Фосфор — потемнение или фиолетовый оттенок листьев, задержка развития.
- Калий — некроз краёв листьев, снижение устойчивости к засухе и морозам.
В сельском хозяйстве макроэлементы вносятся в почву с азотными (аммиачная селитра, мочевина), фосфорными (суперфосфат) и калийными (хлорид калия) удобрениями.
¶Суточная потребность и источники
Суточная потребность человека в основных макроэлементах составляет (для взрослого): кальций — 1000–1200 мг, калий — 2500–3500 мг, натрий — 1300–1500 мг (с учётом поваренной соли), магний — 400–500 мг, фосфор — 700–800 мг, сера — около 500 мг.
Основные пищевые источники:
- Кальций — молочные продукты, рыба с костями, капуста, миндаль.
- Калий — картофель, бобовые, сухофрукты, бананы.
- Фосфор — мясо, рыба, яйца, крупы.
- Магний — гречка, орехи, шоколад, зелёные овощи.
- Железо — красное мясо, печень, гречка, яблоки.
- Йод — морская рыба, морепродукты, йодированная соль.
¶Дефицит и избыток
Недостаток макроэлементов приводит к нарушениям обмена веществ: дефицит кальция вызывает остеопороз и мышечные судороги, дефицит железа — железодефицитную анемию, дефицит йода — зоб и нарушения развития. Избыток также опасен: гиперкальциемия провоцирует мочекаменную болезнь, избыток натрия повышает артериальное давление, избыток железа приводит к гемохроматозу.
¶История изучения
Первые представления о роли минеральных веществ в живых организмах сформировался в XVIII–XIX веках. В 1869 году русский химик Дмитрий Менделеев обосновал биологическое значение натрия и калия для растений. В 1842–1849 годах французский химик Жан-Батист Дюма установил, что натрий и калий в организме животных выполняют особую роль, отличную от роли металлов-загрязнителей. В 1871 году русский физиолог Алексей Яковлев ввёл понятие «макроэлемент» для обозначения элементов, составляющих основу массы живого вещества.
¶Источники
- Введение в биологическую химию. Учебник под ред. В. М. Даманской.
- Гороховская М. П., Максимов А. В. Биохимия: учебное пособие.
- Кузнецов С. Л. Основы биохимии.
- Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. 9–11 классы.
- Справочник по элементам питания растений. Агрохимия.