Химия жизни

 министерство образования и науки российской федерации

Владивостокский государственный университет

экономики и сервиса

Институт заочного и дистанционного обучения

Кафедра ЭЛЕКТРОНИККИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

Тема: Химия жизни.

Вариант № 14.

Студент

гр. ЗБМН–12–02      Т. А. Шевченко

Преподаватель              

Владивосток 2013

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение…………………………………………………………………….……………3
2. Химический взгляд на природу, истоки и современное состояние…………………..4
3. Химические элементы в жизни человека…………………………………………...….7
1. Жизненно необходимые элементы……………………………………….…...10
2. Примесные элементы…………………………………………………………..15
3. Метод коррекции минерального обмена в организме человека………….…19
4. Химический состав крови……………………………………………………...21
4. Заключение……………………………………………………………………………...22
5. Список использованной литературы……………………………………………….….25

Введение

Современная химия представляет собой широкий комплекс наук, постепенно сложившийся в ходе ее длительного исторического развития. Практическое знакомство человека с химическими процессами восходит к глубокой древности. В течение многих столетий теоретическое объяснение химических процессов основывалось на натурфилософском учении об элементах-качествах. В модифицированном виде оно послужило основой для алхимии, возникшей примерно в III-IV вв. н.э. и стремившейся решить задачу превращения неблагородных металлов в благородные. Не добившись успеха в решении этой задачи, алхимики, тем не менее, выработали ряд приемов исследования веществ, открыли некоторые химические соединения, чем в определенной степени способствовали возникновению научной химии.

Натурфилософские воззрения лежали также в основе возникшей в XVI в. ятрохимии (предшественницы медицинской химии), стремившейся найти в химических препаратах средства лечения многочисленных болезней. В средние века получили ускоренное развитие химические производства: металлургия, стеклоделие, изготовление красителей. Это способствовало выработке первых теоретических установок в развивавшемся химическом знании.

Собственно научная химия ведет свое начало со второй половины XVII в., когда Р. Бойль и его единомышленники дали первое научное определение понятия «химический элемент». Важной вехой на пути создания научной химии стало открытие благодаря работам М.В. Ломоносова и А. Лавуазье, закона сохранения массы при химических реакциях. Важную роль в становлении химии как самостоятельной науки сыграло открытие в конце XVII — начале XIX вв. стехиометрических законов.

Разработка химических воззрений в XIX в. началась с создания Д. Дальтоном основ химической атомистики. Вскоре А. Авогадро ввел понятие «молекула». Однако атомно-молекулярные представления утвердились в науке лишь в 60-х годах XIX в. В тот же период в познавательном прицеле химии заняла основополагающее место, наряду с составом, также структура веществ. Этому в решающей степени способствовало создание А.М. Бутлеровым теории химического строения. К числу наиболее значительных вех развития научной химии и всего естествознания принадлежит открытие Д.И. Менделеевым периодического закона химических элементов. В конце XIX — начале XX вв. к ведущим направлениям развития химии стало относиться изучение закономерностей химического процесса. Со второй половины XX в. в химии плодотворно развивается концепция, нацеленная на изучение возможностей использования в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. Эволюционная химия обратилась к постижению путей получения наиболее высокоорганизованных химических систем, которые только возможны в настоящее время.

В химии исторически сложились, таким образом, четыре уровня изучения веществ: с позиций их состава, строения, химического действия и самоорганизации. Тем не менее, специфика химии не может быть сведена только к исследованию веществ с позиций этого многоуровневого подхода. Наиболее специфичным для нее является постижение химизме взаимоотношений веществ. Причем осмысление феномена химизма, находит свое концентрированное выражение в современной трактовке предмета химии. 

Химический взгляд на природу, истоки и современное состояние.

Химия — очень древняя наука. Существует несколько объяснений слова «химия». Согласно одной из имеющихся теорий, оно происходит от древнего названия Египта — Kham и, следовательно, должно означать «египетское искусство». Согласно другой теории, слово «химия» произошло от греческого слова cumoz (сок растения) и означает «искусство выделения соков». Этот сок может быть расплавленным металлом, так что при подобном расширенном толковании данного термина в него приходится включать и искусство металлургии.

С химией тесно связаны элементы стихий древнегреческой натурфилософии, атомистика Левкиппа и Демокрита. Но, конечно, наибольший вклад в становление этой науки внесли египтяне. Имя первого из дошедших до нас химиков — Болос из Менда, жившего в дельте Нила на рубеже III и II вв. до н.э. К 300 г. н.э. египтянин Зосима написал энциклопедию, которая охватывала все собранные к тому времени знания по химии. Но химия, представленная в этом труде, еще не была наукой в полном смысле слова, а оставалась тесно связанной с древнеегипетской религией и не выходила в своем развитии за пределы формирования феноменологического уровня. В химии выявлялись свойства, устанавливались закономерности между ними, сущность же явлений подменялась их мистической интерпретацией. Химию (химиков) искореняли и преследовали древнеримские императоры, фанатики христианства: ученые изгонялись, книги их сжигались, сама наука запрещалась. Одни опасались, например, того, что химики занимались получением золота; вторые преследовали ученых за тесную связь химии с древнеегипетской религией, которая, с точки зрения христианства, была язычеством.

Начиная с последних веков I тыс. до н.э. химия бурно развивалась в арабском мире, а в первой половине нынешнего тысячелетия она получила широкое распространение в Западной Европе. С одной стороны, развитие химии в этот период шло вслед за развитием техники, однако, с другой стороны, она оставалась тесно связанной с религиозно-философской мыслью. В тот период химия существовала главным образом как алхимия.

В химии необходимо отметить, прежде всего, существование особого «химического взгляда» на природу, который не может быть сведен к физическому, несмотря на все успехи физической химии в нынешнем столетии. То есть у химии давно были обнаружены качества некоторого особого типа. Так, согласно известному химику А. А. Бутакову, химические реакции «нельзя объяснить только действием сил электрического притяжения и отталкивания. Их действием объясняется лишь физическая сторона химического процесса. Химическая форма движения материи представляет собой процессы изменения частиц вещества, которые, в конечном счете, определяются действием периодического закона». Подобного мнения придерживаются и многие другие ученые-химики. Известный российский физико-химик Н. Н. Семенов сводил основные отличия между физическим и химическим процессом к трем: «Истории системы, отсутствию мгновенных параметров для скоростей химических реакций, возможности пользоваться равновесными параметрами для физических процессов и невозможности — для химических».

В химии хорошо используется подход индуктивный, гораздо менее продуктивным здесь оказался дедуктивный подход. При дедуктивном подходе вся совокупность известных естественно-научных фактов (не только химических, но и физических, биологических) представляется вытекающей из ряда основных законов. Такой подход, как правило, оказывается достаточно эффективным в физике и там, где могут быть использованы физические идеи (в химии). Индуктивный подход — это движение в обратном направлении, когда на основе химической фактологии выявляются более или менее общие закономерности (правила, законы), а затем уже создаются обобщенные модели, составляющие основу современной теоретической химии.

Важнейшие особенности современной химии таковы:

1.  В химии, прежде всего в физической химии, появляются многочисленные самостоятельные научные дисциплины (химическая термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, термохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия, лазерная химия).

2.  Химия активно интегрируется с остальными науками, результатом чего было появление биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают химические процессы в живых организмах, геохимия — закономерности поведения химических элементов в земной коре. Биогеохимия — это наука о процессах перемещения, распределения, рассеяния и концентрации химических элементов в биосфере при участии организмов. Основоположником биогеохимии является В. И. Вернадский. Космохимия изучает химический состав вещества во Вселенной, его распространенность и распределение по отдельным космическим телам.

3. В химии появляются  принципиально новые методы исследования (структурный рентгеновский анализ, масс-спектроскопия, радиоспектроскопия и др.).

Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными: 1) введение в практику эфирного наркоза, а затем и других наркотических веществ; 2) использование антисептических средств для предупреждения инфекции; 3) получение новых, не имеющихся в природе аллопластических материалов-полимеров.

В химии весьма отчетливо проявляется неравноценность отдельных химических элементов. Подавляющее большинство химических соединений (96% из более 8,5 тыс. известных в настоящее время) — это органические соединения. В их основе лежат 18 элементов), и большее распространение имеют всего 6 из них). Это происходит в силу того, что, во-первых, химические связи прочны (энергоемки) и, во-вторых, они еще и лабильны. Углерод как никакой другой элемент отвечает всем этим требованиям энергоемкости и лабильности связей. Он совмещает в себе химические противоположности, реализуя их единство.

Однако подчеркнем, что материальная основа жизни не сводится ни к каким, даже самым сложным, химическим образованиям. Она не просто агрегат определенного химического состава, но одновременно и структура, имеющая функции и осуществляющая процессы. Поэтому невозможно дать жизни только функциональное определение.

В последнее время химия все чаще предпринимает штурм соседних с нею уровней структурной организации природы. Например, химия все более и более вторгается в биологию, пытаясь объяснить основы жизни.

Химические элементы в жизни человека.

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов. Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. Актуальность выбранной темы проявляется в том, что тяжелая экологическая ситуация, возрастание стрессовых ситуаций, современные методы обработки продуктов питания, «убивающие» биологически активные вещества, являются основными причинами повсеместного роста дефицита жизненно важных элементов и избытка токсичных, наносящих непоправимый вред здоровью. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% – на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Са, Р, О, Na, Мg, S, В, С1, К, V, Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn, Мо, Сг, Si, I, F, Se. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция – 1700, калия – 250, натрия – 70, магния – 42, железа – 5, цинка – З. Живые организмы в своем составе содержат различные химические элементы. Условно, в зависимости от концентрации химических элементов в организме, выделяют макро- и микроэлементы.

Макроэлементами принято считать те химические элементы, содержание в организме которых более 0,005% массы тела. К макроэлементам относятся водород, углерод, кислород, азот, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций.

Микроэлементами называются химические элементы, содержащиеся в организме в очень малых количествах. Их содержание не превышает 0,005% массы тела, а концентрация в тканях – не более 0,000001%. Среди всех микроэлементов в особую группу выделяют так называемые незаменимые микроэлементы.

Незаменимые микроэлементы – микроэлементы, регулярное поступление которых с пищей или водой в организм абсолютно необходимо для нормальной его жизнедеятельности. Незаменимые микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов, гормонов и других биологически активных веществ. Незаменимыми микроэлементами являются железо, йод, медь, марганец, цинк, кобальт, молибден, селен, хром, фтор.

Физиологическое значение минеральных элементов определяется их участием:

• в структуре и функции большинства ферментативных систем и процессов, протекающих в организме;
• в пластических процессах и построении тканей (фосфор и кальций – основные структурные компоненты костей);
• в поддержании кислотно-основного состояния и водно-солевого обмена;
• в поддержании солевого состава крови и участии в структуре формирующих ее элементов.

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека

1.Жизненно  необходимые элементы.

Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Са10(РО4)6(ОН)2), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.

Микроэлементы вошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них – металлы, а из металлов больше половины являются й-элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы – ферменты содержат ионы переходных металлов (й-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо – в 70, медь – в 30, а цинк – более чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма.

Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид кривой доза (n) – ответная реакция (R, эффект) – рис. 1.

Рис. 1. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для жизненно необходимых элементов.

При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: все должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части – тема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких – заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови – печень.

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона).

Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(П), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II). Она оказывает на организм многогранное действиу, влияет на развитие, воспроизводство, гемоглобинообразование и на активность лейкоцитов. Медь является переносчиком кислорода при образовании пигментов. В регионах с недостатком меди в почве отмечается анемия сельскохозяйственных животных. Дефицит меди приводит к разупорядочению соединительной ткани кровеносных сосудов вследствие блокирования связей между коллагеном и эластином у свиней, индюков. Избыток меди у животных вызывает поражение печени и развитие желтухи, у человека – острый панкреатит, язву двенадцатиперстной кишки, бронхиальную астму, гиперкупремию и др. Токсичность меди проявляется в способности её блокировать SH – группы белков, в особенности ферментов, повышать проницаемость мембраны митохондрий. Белки, в состав которых входит медь, оказывают влияние на углеводный обмен, синтез жиров, образование витаминов P и B. Ежедневная потребность в меди для человека составляет около 2 – 3 мг. Особенно богаты этим элементом молоко и дрожжи. Однако в больших количествах соединения меди вредны: приём внутрь 2г медного купороса может привести к смерти.

Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в паре. Надежно установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии – неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри ее. Наличие градиента концентраций калия и натрия – экспериментально установленный факт. Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клеток падает. При наступлении смерти концентрации калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравниваются. В организме человека содержится в среднем около 140 г калия и около 100 г. натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 до 7 г ионов калия и от 2 до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах Na настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу (в виде поваренной соли). Значительная потеря ионов натрия (они выводятся из организма с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют есть больше солёного. Однако и избыточное содержание их в пище вызывает негативную реакцию организма, например повышение артериального давления. Биологическая функция других щелочных металлов в здоровом организме пока неясна. Однако имеются указания, что введением в организм ионов лития удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза. В табл. 2 представлены другие жизненно необходимые элементы.

Таблица 2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Необходимо также отметить значение таких элементов, как магний, стронций, фосфор, селен, йод, хром, цинк, и конечно, кислород.

Магний присутствует в животных и растительных организмах. В теле человека в среднем содержится 19 г магния. Особенно он необходим растениям, т. к. является составной частью хлорофилла.

Соединения магния участвуют в формировании костей, в регуляции работы нервной ткани, обмене веществ. Ежедневно человеку требуется примерно 300 – 400 мг этого элемента. Он попадает в наш организм с хлебом, в 100 г которого содержится 90 мг магния, крупой (в 100 г овсяной крупы – 116 мг магния). В молочных продуктах этот элемент присутствует в легко усвояемой форме – в виде растворимого в воде цитрата магния (соли лимонной кислоты). Особенно богаты магнием орехи: на 100 г. приходится до 230 мг этого элемента.

С пищей и питьевой водой человек ежедневно получает около 15 – 20 мг стронция. В большем количестве соединения этого элемента вредны для здоровья. Ионы стронция способны замещать в костях ионы кальция, что приводит к различным заболеваниям. Поэтому предельно допустимая концентрация ионов Sr в питьевой воде – 7 мг/л.

В виде фосфатов кальция фосфор присутствует в костях человека и животных. В теле человека массой 70 кг содержится около 780 г. фосфора. Входит он и в состав белков, фосфолипидов, нуклеиновых кислот; соединения фосфора участвуют в энергетическом обмене (аденозинтрифосфорная кислота, АТФ). Ежедневная потребность человеческого организма в фосфоре составляет 1,2 г. Основное его количество мы потребляем с молоком и хлебом (в 100 г. хлеба – примерно 200 мг фосфора). Наиболее богаты фосфором рыба (180 мг в 100 г. продукта), фасоль (540 мг на 100 г. продукта), некоторые виды сыра (до 600 мг на 100 г. продукта).

Интересно, что для правильного питания необходимо соблюдать баланс между количеством потребляемого фосфора и кальция: оптимальное соотношение этих элементов в пище составляет 1,5: 1. Избыток богатой фосфором пищи приводит к вымыванию кальция из костей, а при избытке кальция развивается мочекаменная болезнь.

В организме человека содержится также около 14 мг селена. Он относится к числу важных микроэлементов – стимулирует синтез серосодержащих аминокислот, входит в состав фермента глутатионпероксидазы, предохраняющего гемоглобин крови от окисления пероксидами. Недостаток селена в организме человека приводит к ослаблению его иммунной защиты (больше всего селена – около 0,2–0,3 мг/кг – содержится в мясе и твороге). Однако переизбыток этого элемента вреден – он ведёт к отравлению, одним из симптомов которого является выпадение волос.

В организме человека содержится от 12 до 20 мг йода, причём большая его часть сконцентрирована в щитовидной железе в составе белка тиреоглобулина, ответственного за синтез некоторых гормонов. При недостатке йода у детей и взрослых развиваются тяжёлые заболевания, такие как базедова болезнь. Во избежание этого в местностях с пониженным содержанием йода в почве и воздухе в продажу поступает йодированная поваренная соль, содержащая добавки иодида (KI) или иодата (KIO3) калия, а также различные пищевые добавки (пивные дрожжи, отруби). Молекулы йода обладают уникальной способностью проникать в организм даже через неповреждённую кожу. Поэтому настойку йода применяют и для лечения внутрикожных воспалений.

В организме взрослого человека содержится всего около 6 мг хрома. Многие соединения этого элемента (особенно хроматы и дихроматы) токсичны, а некоторые из них являются канцерогенами, т.е. способны вызывать рак. Содержание цинка, входящего в состав более 40 ферментов, регулирующих углеводный и энергетический обмен в клетках составляет 2,3 грамма в организме человека и животных.

Одним из основных элементов, составляющих основу жизни любого живого организма, является кислород, широко распространённый в природе. В свободном виде он содержится в воздухе (21% по объёму), в составе различных соединений (оксидов, солей) – в земной коре (47%). Самым известным его соединением является вода. Подсчитано, что в организме человека массой 70 кг 43 кг приходится на атомы кислорода. Взрослый человек за сутки потребляет в среднем 100 л кислорода.

2. Примесные элементы.

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, – они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева. За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определенных функциональных групп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка. Такие элементы, как бериллий, никель, палладий, серебро, кадмий, мышьяк, селен, сурьма, теллур, платина, золото, барий, таллий, свинец, висмут, ртуть называют примесными. Их диаграмма доза – эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми. До определенного содержания этих элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации они становятся ядовитыми.