и свойств внутренней среды организма. Оптимальный уровень гомеостаза позволяет живому организму развиваться в беспатологическом режиме.
На основании большого количества исследований было установлено, что живой организм с тем большей продуктивностью использует фактор, находящийся в минимуме, чем большее число других факторов находится в оптимуме. Это заключение свидетельствует о необходимости оптимизации массовой доли элемента и создания питательной среды с максимальным набором элементов, отвечающему уровню физиологической потребности.
Оптимальный уровень элементов питания обеспечивает не только потребность в них, но он позволяет усилить эффект действия одного элемента в присутствии другого.
Знание законов биологии и умелое использование их в конкретных условиях позволит наиболее эффективно решать вопросы питания во всех звеньях производственной деятельности. Регулирование до оптимума структуры элементов питания в почвенных растворах обеспечит более высокую эффективность избирательной деятельности растений, которые в свою очередь, при соответствующей структурной корректировке обусловят оптимум питательной среды для животных и человека.
4. Роль биогенных элементов в обмене веществ 4.1 Органогены
4.1.1 Углерод
Биогенный элемент, играющий особую роль в формировании скелета органических соединений. Не менее важна его роль и в обменных процессах, так как все энергетические вещества представлены им в значительном объеме. В общей массе органогенов живых организмов доля его составляет в пределах 21% (на суточную массу), а в таком сложном органическом соединении как белок содержание его составляет 51-53%. Функциональная роль углерода заключается в стабилизации гидрокарбонатной буферной системы, главное назначение которой – нейтрализация излишней кислотности, возникающей в плазме крови, эритроцитах, межклеточной жидкости и почечной ткани.
В организме животных питательные вещества в процессе катаболизма образуют метаболиты, которые могут быть использованы для формирования собственных структур. Жесткое окисление белков до СО2, Н2О и аммонийных солей используется организмом для устранения ненужных белков, пополнения энергетических ресурсов и формирования собственных структур.
Важная роль углерода в процессе метаболизма осуществляется им в соединении с кислородом и водородом. Эти соединения в процессе нейтрализации алкоза (увеличенная кислотность буферной ёмкости по сравнению с нормой) смещают нарушенное равновесие в сторону физиологической нормы, а образующийся углекислый газ выводится из организма в процессе дыхания через легкие.
Помимо рассмотренных положительных функций углерода и его соединений он может проявлять и отрицательное действие на организм. Окись углерода (СО), обра-
зующаяся в избытке в атмосфере через легкие, попадая в кровь, образует карбоксигемоглобин – очень устойчивое соединение, препятствующее насыщению крови кислородом.
Карбоксигемоглобин, имея в структуре молекулу углекислого газа вместо молекулы кислорода, нарушает процесс кислородного обмена с клеткой, так как устойчивость СО в структуре карбоксигемоглобина в 210 раз выше, чем О2 в оксигемоглобине.
Способность к образованию комплексных соединений с катионами биометаллов является причиной ядовитости угарного газа для живых систем. В реакциях комплексообразования, и прежде всего, с железом, он образует пентакарбонил железа – летучую ядовитую жидкость.
Приведенные примеры являются свидетельством важности химических элементов для жизнедеятельности организма, но в равной мере важна оптимальность структуры их в процессе метаболизма. Однозначно негативен как дефицит, так и избыток самых важных для организма составляющих.
4.1.2 Кислород
Самый распространенный элемент биосферы (более 50% по массе). Он обеспечивает многочисленные чрезвычайно важные жизненные процессы, прежде всего дыхание и окисление биосубстратов. Лишь немногие живые организмы могут развиваться в анаэробных условиях.
Главная химическая функция кислорода в организме – окисление веществ, которое всегда проходит с выделением энергии. Биологическое окисление подразделяют на свободное окисление, при котором выделяющаяся энергия переходит в тепловую и рассеивается, и сопряженное окисление, при котором выделяющаяся энергия используется живыми клетками для своего существования. Полученная энергия переводится клетками в химическую энергию в процессе синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Это соединение выполняет функцию аккумулятора энергии и функционирует в организме как промежуточный продукт, обеспечивающий жизненно важные процессы, протекающие с поглощением энергии: синтез метаболитов, сокращение мышц, перенос веществ через мембраны против градиента концентрации и передачи нервных импульсов.
Важная роль кислорода заключается и в детоксикации чужеродных эндо и экзогенных субстратов путем их окисления до соединений, которые не накапливаются в клетках, а переходят в водную фазу и удаляются из организма.
Для организма важно, чтобы процесс утилизации кислорода происходил до конечного продукта – воды. Если этот процесс нарушается, то образуются различные активные формы кислорода, способствующие свободнорадикальному окислению биосубстратов. Свободные радикалы участвуют в клеточном делении, обновлении ядерных мембран и многих других важных процессах. Но это необходимо и полезно до тех пор, пока интенсивность образования радикалов и концентрация их в клетке не превышает определенной нормы. Токсичные кислородсодержащие радикалы могут возникать и при взаимодействии кислорода с металло-протеинами (гемоглобин,
цитохром), содержащими катионы железа, меди, марганца. Эти факты еще раз акцентируют внимание на необходимость устранения избытка реагирующих веществ в организме.
4.1.3 Водород
С позиции химической термодинамики водород (в живых системах, содержащих воду, не может образовывать ни молекулярный водород (Н2), ни гидрид – ион (Н- ). Молекулярный водород при обычных условиях химически малоактивен и при этом сильно летуч, из-за чего он не может удерживаться организмом и участвовать в обмене веществ. Гидрид-ион химически чрезвычайно активен, и взаимодействуя даже с очень малым количеством воды, образует молекулярный водород. Поэтому водород в организме находится или в виде соединений с другими органогенами, или в виде катиона Н+ . С элементами – органогенами водород образует прочные связи. В зависимости от природы элемента различными бывают и соединения с кислородом: карбоновые кислоты, фенолы, спирты; с серой – тиолы; с азотом – амиды, амины; с углеродом – углеводороды и их производные.
Концентрация катионов водорода в водной среде определяет её кислотность, которая выражается показателем рН. Большинство физиологических сред организма имеют реакцию, близкую к нейтральной (рН = 5,0 - 7,5), только рН желудочного сока равна 1,0 - 2,0.
Такая среда обеспечивает противомикробное действие, убивая микроорганизмы, занесённые в желудок с пищей, и оказывает каталитическое действие при гидролизе (распаде) белков, полисахаридов и других биосубстратов, способствуя получению необходимых метаболитов.
Вода – важнейшее соединение водорода. Все химические реакции в организме протекают только в водной среде, жизнь без воды невозможна. Вода не только среда, но также активный участник процессов жизнедеятельности. Роль её в живой природе связана с уникальными свойствами, благодаря которым она является и средой, и растворителем, и метаболитом.
Вода обеспечивает термостатирование живых организмов, растворение солей, кислот, оснований и диссоциацию их на ионы. Ионное состояние веществ в водной среде обуславливает высокие скорости протекания биохимических реакций, быструю миграцию ионов через биологические мембраны и практически мгновенную передачу нервных образований в составе энергетических веществ – белков, жиров и углеводов.
4.1.4 Азот
Несмотря на то, что массовая доля его в организме значительно меньше, чем углевода, кислорода и водорода, роль его в обменных процессах организма не менее важна. Азотсодержащие соединения образуют прочные комплексы с такими природными комплексообразователями, как медь, цинк, никель. Такие соединения являются токсичными и могут вызывать различные патологии. Особенно активны в реакциях комплексообразования азотсодержащие соединения, имеющие несколько атомов азота. Азотсодержащие метаболиты, в которых атомы азота связаны с атомами водо-
