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-
рода и углерода, являются основой наиболее ценных соединений – аминокислот, белков и нуклеиновых кислот. Но поскольку большинство живых существ не усваивают молекулярный азот, так необходимый для построения белков и нуклеиновых кислот, они получают его из растений. Растения же получают его или за счет симбиоза бобовых растений с микроорганизмами, или за счет деятельности свободно живущих азотфиксирующих организмов. Эти микроорганизмы превращают молекулярный азот в аммиак и ионы аммония. Аммиак в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий окисляется под действием кислорода и фермента нитрогеноксидазы в нитраты, которые легко усваиваются корнями растений из почвы. В растениях нитраты восстанавливаются с помощью фермента нитратредуктазы в ионы аммония, которые являются образующим началом глутаминовой кислоты. На базе этой аминокислоты получаются остальные девятнадцать –аминокислот, используемые для синтеза белков.
В аспекте этих образований и дальнейших превращений необходимо соблюдать оптимальный баланс азота уже с момента его накопления в почве. Поскольку интенсивный рост растений и накопление биомассы напрямую связны с азотом, то разработанные интенсивные технологии производства кормов и овощных культур основывались на высоких нормах внесения азотных удобрений.
Почвенные растворы, перенасыщенные азотом, вызывали дисбаланс состава и свойств внутренней среды растительного организма и обуславливали негативные процессы в организме и животных, и человека.
В организме животных и человека широко представлено такое соединение азота, как аммиак, который является одним из продуктов дезаминирования аминокислот, белков, биогенных аминов, пуриновых и пиримидиновых оснований, поступающих с пищей. Это простейший метаболит со специфическими свойствами, который в кислой среде образует ион аммония, а в нейтральной и слабощелочной обратимо диссоциирует с образованием ионов аммония и гидроксила. В крови при рН = 7,4 гидрат аммиака будет находиться в виде ионов аммония. Несмотря на избыток ионы аммония не могут проникать через клеточные мембраны, однако молекулы NH3 легко проходят через мембраны и могут воздействовать на организм, прежде всего на мозг. Выделение аммиака из организма осуществляется через почки в основном в виде мочевины.
Азот образует с кислородом ряд окислов, роль которых в организме в зависимости от их количества может меняться от позитивной до негативной. Позитивной является роль азота в образовании гемоглобина, в котором ион железа связан с четырьмя атомами азота (образуя гем), молекулой воды и белком (глобином). В молекуле гемоглобина в легких проходит процесс замены молекулы воды на молекулу кислорода, который переносится к различным органам. Не однозначна роль оксида азота (NO) в организме. В одном случае он обязательно синтезируется в организме как необходимое соединение, без которого невозможно нормальное функционирование клетки. Он обеспечивает расслабление гладких мышц сосудов, регуляцию работы сердца, эффективную работу иммунной системы, передачу нервных импульсов, сексуальное возбуждение. В другом случае, в процессе окислительных действий нитритов, выделяющийся оксид азота (NO) образует устойчивый комплекс с гемоглобином
