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
– нитрозогемоглобин. Кислород в составе нитрозогемоглобина в 60 раз прочнее связан, чем кислород оксигемоглобина, обуславливая тем самым нарушение кислородного обмена до кислородного голодания.
В желудке нитраты образуют азотистую кислоту, которая при взаимодействии со вторичными аминами образует – нитрозамины – сильные канцерогены. В России санитарные нормы регламентируют содержание нитратов в питьевой воде, так как излишек их может привести к различным заболеваниям. Вещества, поступающие в атмосферу в процессе естественного круговорота, выводятся из неё благодаря динамическому равновесию, существующему в биосфере. Поэтому они не представляют опасности для жизнедеятельности. В процессе же производственной деятельности человека, особенно с внедрением интенсивных технологий, дисбаланс азота может проявиться и в почвенной среде и скотоводческих помещениях (при плохой вентиляции) и, особенно, при неразумном, бесконтрольном применении гербицидов и пестицидов. Ежегодно в атмосферу выбрасывается 2,3 млрд тонн вредных примесей, доля оксида азота в которых составляет 15%.
Анализ азота и его соединений, участвующих в процессе жизнедеятельности является свидетельством важности элемента и жизненной необходимости в нем, но положительный эффект может быть получен лишь при оптимальном балансе его, как во внутренней, так и внешней средах.
4.1.5 Фосфор
В природе фосфор встречается только в формах, содержащих кислород. Это обусловлено тем, что фосфор образует с кислородом более прочные связи, чем с другими органогенами. В организме фосфор встречается только в виде фосфатов, неорганических и органических. Фосфаты в живых организмах играют две ключевые роли. Они служат структурными компонентами скелета, клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Костная ткань построена в основном из гидроксиапатита Са5 (РО4)3 ОН. Основу липидного бислоя биологических мембран составляют фосфолипиды, которые в результате межмолекулярных взаимодействий, удерживающих друг возле друга углеводородные радикалы, образуют внутренний липофильный (гидрофобный) слой мембраны. Гидрофильные фрагменты расположены на внешней поверхности мембраны и образуют гидрофильный слой.
Клеточные мембраны играют очень важную роль в жизнедеятельности организма. Они отделяют клеточное содержимое от внешней среды, обеспечивая поддержание различий в составе вне- и внутриклеточной среды, регулируют обмен между клеткой и средой, делят клетки на отсеки и регулируют между ними обмен. Некоторые биохимические реакции протекают на самих мембранах. Клеточные мембраны обладают избирательной проницательностью. Через них диффундирует глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерин и некоторые ионы, причем сами мембраны в определенной мере регулируют эти процессы. На внешней поверхности мембраны располагаются рецепторные участки для распознавания веществ, поступающих из окружающей среды.
Не менее важна в организме и роль нуклеиновых кислот, остов которых состоит из рибозо- и дизоксирибозофосфатных цепей. Фосфорная кислота входит в состав нуклеотидов, которые играют важную роль в живых системах. Они содержат в своем
