Лекция 2: Единство химического состава живых организмов.
План.
1. Изучение элементарного состава живых организмов.
2. Неорганические соединения: вода и минеральные соли.
Термины и понятия: макроэлементы, микроэлементы, органогенные и биогенные элементы, гемоцианин. Атомы живого и периодическая система химических элементов.
Как известно из курса химии, в состав тел живой и неживой природы входят химические элементы. Живые организмы образованы из тех же атомов, что и тела неживой природы. Установлено, что в клетках в разном количестве содержится около 80 природных элементов периодической системы Д.И. Менделеева. (Вспомните общее количество химических элементов, известных науке.) Поэтому разница в элементном составе живого и неживого заключается только в разном количественном соотношении химических элементов, а не в том, что в клетках организмов содержатся атомы особых химических элементов, которых больше нигде нет. Например, кремний (СИ) - второй по массе элемент земной коры (вспомните, песок - это не что иное, как кремний (IV) оксид SiO2) - в клетках живых организмов составляет менее 0,0001% и не входит даже в двадцати самых распространенных элементов живого . Однако в живом веществе накапливаются элементы с определенными свойствами. Так, отмечено, что наиболее живой массы составляют элементы Карбон, азот, фосфор, серу (C, N, P, S), легко образуют растворимые и газообразные соединения, хотя в земной коре их содержание относительно незначителен. Напротив элементы, обычно образуют нерастворимые в воде соединения - Силиций, Ферум, Алюминий (Si, Fe, Al), в составе организмов встречаются крайне скудно, хотя являются главными в неживой природе. Вообще между биологической ролью элемента и его положением в периодической системе есть определенное соответствие. Прежде всего, органический мир построен из легких атомов. Кроме того, при переходе от легких до тяжелых элементов в пределах одной подгруппы токсичность.
Основные органогенные элементы - на их долю приходится почти 98% химического содержимого клетки - кислород, углерод, водород и азот.
Макроэлементы - фосфор, калий, кальций, сера, хлор, магний, натрий, железо - суммарная доля 1,9%.
Микроэлементы - йод, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк и т.д. до 50 видов.
Ультрамикроэлементы - свинец, бром, серебро, золото.
Кислород (65% от массы клетки) - входит в состав воды и биомолекул, принимает активное участие в образовании энергии в клетках в виде
АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты.
Углерод (15 - 18% от массы клетки) - входит в состав биомолекул, углевод глюкоза является основным источником энергии, которая образуется во время гликолиза и кислородного расщепления глюкозы.
Водород - (8 - 10% от массы клетки) входит в состав воды и биомолекул.
Азот - (1,5 - 3,0%) структурный компонент белков, нуклеиновых кислот, АТФ и некоторых других биомолекул.
Фосфор - (0,2 - 1%) входит в состав костей, белков, мембран клеток в составе фосфолипидов.
Калий - (0,15-0,4%) основной положительно заряженный ион в организме животных.
Сера - (0,15 - 0,2%) - входит в состав белков и других биомолекул.
Хлор - (0,05 - 0,1%) - отрицательно заряженный ион в организме животных.
Кальций - (0,04 - 0,2%) - основной компонент костей, ионы кальция регулируют сокращение мышц человека и млекопитающих.
Магний - (0,02 - 0,03%) - активирует деятельность ферментов, структурный компонент хлорофилла.
Натрий - (0,02 - 0,03%) - главный внутриклеточный положительно заряженный ион.
Железо - (0,01 - 0,15%) - входит в состав многих биомолекул, в том чсли гемоглобина.
Микроэлементы, входящие в состав организма человека.
Далее информация будет скомпонована по такому принципу:
Название микроэлемента Хим. символ Судьба в общ. массе Роль и функции элемента в организме.
микроэлементы:
Йод I Следы. Регуляция работы щитовидной железы.
Кобальт Co Следы Входит в состав биоактивного комплекса витамина В 12 (цианокобаламина)
ВОДА:
Электронейтральна но полярная. Водородная связь возникает между атомами водорода и кислорода за счет образования общей пары электронов по одному от каждого атома. Вода определяет внутриклеточный давление. Вода формирует водную оболочку вокруг белков препятствует их взаимодействия - такая вода называется связанной (структурированной). Растворимые в воде соединения - гидрофильные и полярные. Плохо растворимые в воде соединения - гидрофобные и неполярные. К гидрофильных соединений относятся кристаллические соли, например поваренная соль. К гидрофобных соединений относят все липиды, некоторые белки, содержащие неполярные группы (- СН2 - СН2, СН3). Важную роль играет водородный показатель рН. Контроль состояния водоемов - источников водоснабжения, скважин и других источников воды и поддержание их в надлежащем состоянии является жизненноважного задачей современного мира.
Общие требования к питьевой воде:
1. Вода должна быть безопасной в эпидемиологическом и радиационном отношении
2. быть безопасной по хим. составом
3. иметь приемлемые органолептические свойства.
В Украине эти требования регламентированы санитарным законодательным документом ДСАНПИН (Державнии санитарные правила и нормы «Вода питьевая». Гигиенические требования к качеству воды централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения № в 383 от 23. 12. 1996)
Для оценки качества питьевой воды проводят следующие мероприятия:
Определение общего микробного числа воды:
Микробное число воды это - количество микробов в 1 мл воды.
Определение коли-индекса:
Коли-титр воды - это минимальное кол. воды, в которой обнаруживают бактерии группы кишечных палочек
Коли-индекс воды - это количество кишечной палочки. в 1 л воды
Органолептический анализ воды:
Определение показателей безопасности химического состава питьевой воды.
Определение соды. хлоридов
Определение остаточного хлора в питьевой воде
Молекула воды (H2O) состоит из 2 двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Согласно электронного строения атомов водорода и кислорода молекула воды имеет в своем распоряжении пять электронных пар. Они образуют электронное облако. Облако неоднородна - в ней можно различить отдельные сгущения и разрежения. В кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно обрамляет ядро.
В периодической системе элементов Д.И. Менделеева кислород образует отдельную подгруппу. Она так и называется: подгруппа кислорода. Элементы, входящие в нее кислород, сера, селен и теллур имеют много общего в физических и химических свойствах. Общность свойств прослеживается, как правило, и для однотипных соединений, образованных членами подгруппы. Однако для воды характерно отклонение от правил. С легких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода - самая легкая. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяется положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем более легкий элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода высокой должна быть летучесть воды-гидрида кислорода. Это же свойство проявляется и в способности воды «прилипать» к многим предметам, то есть смачивать их.
Температура кипения воды + 100 ° С, замерзания - 0 ° C. Это наглядная преимущество ассоциативности - широкий температурный интервал существования, возможность осуществить все фазовое состояния в условиях нашей планеты. Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100 ° С, нужно в шесть больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80 ° С (от 20 до 100 ° С).
Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагревании 1 г воды на 80 ° С (от 20 до 100 ° С).
Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в разное время года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты. У человека при общем содержании воды 60% массы тела, внутриклеточная вода составляет 40%, межклеточная жидкость - 16%, внутрисосудистая - 4,5%.
Характер физико-химических процессов в тканях определяют ионы (Na +, K +, Са + Mg2 +, C1-, SO4, HCO3- и др.), А также микроэлементы. Всасывания электролитов в кишечнике, обеспечивает поступление солей в кровь. С кровью или лимфой они переносятся к клеткам организма. По солевому составу вне- и внутриклеточные жидкости резко различаются: в клетках высокое содержание К + Mg2 + и фосфатов, вне клеток - Na +, Ca2 +, Cl-. Ионная асимметрия обеспечивается деятельностью плазматических мембран и связыванием ряда ионов химическими компонентами клеток. Внутри клеток ионы также распределены неравномерно: Na + больше в ядре, чем в цитоплазме, Са 2+ - в митохондриях. Характер водного обмена определяется типом осморегуляции, которая оказывает влияние и на состояние систем выделения солей. У млекопитающих основным органом регуляции баланса воды и солей являются почки. Регуляция В.-с. о. осуществляется спец. рефлекторными системами, одна из которых реагирует на изменение объема жидкостей (волюморегуляция), другая - их осмотические концентрации (осморегуляция) выявлены специфические системы регуляции баланса отдельных ионов. Уменьшение объема крови рефлекторно стимулирует секрецию вазопрессина и альдостерона, который удерживает Na + в организме. Избыток Ca2 + в крови повышает секрецию кальцитонина, снижает его концентрацию в крови за счет перехода в кости и выделение почками; гипокальциемия способствует секреции паратиреоидного гормона, усиливающего резорбцию Ca2 + из кости и уменьшает его выделение почками. Деятельность органов и систем, обеспечивающих водно-солевой гомеостаз, координируется ЦНС. В процессе эволюции возрастает точность и эффективность механизма регуляции. Кровь (sanguis), циркулирующая в кровеносной системе всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных - «жидкая ткань внутренней среды, является тканью, обеспечивает жизнедеятельность др. тканей и клеток, а также выполнение ими различных. функций в целостном организме. Основные функции М .: дыхательная - транспортирует газы (О2 - от органов дыхания к тканям и СО2 - от тканей в органы дыхания) трофическая и экскреторная - переносит питательные вещества (глюкозу, аминокислоты, соли и т. п.) от органов пищеварения к тканям, а конечные продукты обмена (мочевина, креатин и др.) - к органам выделения; регуляторная - участвует в гуморальной регуляции (переносит гормоны и др. биологически активные вещества), поддерживает водно-солевой обмен и кислотно-щелочное равновесие, играет важную роль в поддержании постоянной температуры тела защитная - содержит антитела, антитоксины, лизин, а также лейкоциты, способны разрушать и поглощать чужеродные агенты. Плазма содержит промежуточные и конечные продукты обмена веществ, соли, гормоны, витамины, ферменты. Существенную часть крови составляют белки - дыхательные пигменты, белки стромы эритроцитов и др. форменных элементов, а также белки плазмы - альбумины, глобулины и фибриноген (плазма без фибриногена - сыворотка крови). Углеводы представлены главным образом глюкозой. Сложная смесь липидов крови включает нейтральные жиры, свободные жирные кислоты и продукты их распада, холестерин, стероидные гормоны и др. У человека объем крови в норме составляет в среднем у мужчин 5,2 л, у женщин 3,9 л, при этом ее часть, иногда до 50%, может находиться в т.н. депо крови (селезенка, печень).
Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием еще одно - ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н / м (20 ° С). Из всех жидкостей болью высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент. Вода только кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатов различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная на воду стальная игла).
Солевой состав речных и морских вод различен не только количественно, но и качественно. На 89% морские соли состоят из хлоридов (преимущественно - натрия и кальция), на 10% -с сульфатов (натрия, калия и магния), на 1% - из карбонатов (натрия и кальция), а также незначительных количеств других солей. В пресных водах набор минеральных примесей выглядит иначе. Более всего здесь карбонатов (натрия и кальция) -до 80%. Сульфатов (натрия, кальция и магния) - около 13%. 7% приходятся на хлориды (натрия и кальция) и другие соли. Из газов в пресных и морских водах широко представлены кислород, азот, углекислый газ, сероводород. В чистых холодных стоках горных рек содержание кислорода может достигать 6 мг / л. В глубинных слоях Черного моря высокая концентрация сероводорода - до 100 мг / л. Этот ядовитый газ присутствует и в нижних слоях некоторых озер. В пресных и морских водах в небольших количествах есть и разнообразные органические компоненты - растворимые соединения типа белков, сахаров, спиртов, углеводов. Это продукты жизнедеятельности и распада животных и растительных организмов, населяющих водоемы и их берега, а также отходы промышленности и сельского хозяйства.
Капиллярность воды При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), Обязательно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные святи с «посторонними» атомами кислорода. Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую, чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности. Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркало грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.
Эпидемиологическое значение воды.
Основу микробной клетки составляет вода - 80 - 90% общей массы. Вода является переносчиком микроорганизмов как сапрофитных так и болезнетворных.
Escherichia coli серотип O157: H7 - основная причина расстройств пищеварения. Инфекция вызвана этой бактерией часто приводит к кровавого поноса, и иногда к почечного недостатка. Люди могут заразиться с E.coli O157: H7 многообразными способами. Заразиться можно попивая зараженную для сточных вод воду.
Холера - острая инфекционная болезнь, вызванная инфекцией кишечника бактериальным вибрионом cholerae.
Люди становятся зараженными Leptospira через контакт с водой, продовольствием, или мочой, содержащей лептоспир, от этих зараженных животных. Это, возможно, происходит во время глотания зараженного продовольствия или воды или через контакт кожи, особенно с поверхностями, которые относятся к слизистой оболочке, например глаза или нос, или разбитой кожей
Соли.
неорганических веществ находятся в организме или в ионном состоянии, или в виде твердых соединений. Катионы - калия, кальция, натрия, магния и тому подобное. Анионы - соляной, серной, фосфорной, угольной и тому подобное.
В современном мире важную роль играют меры по снижению уровня загрязнения окружающей среды некоторыми химическими элементами, неорганическими и органическими соединениями.
Миллиарды лет назад в холодной газо-пылевом облаке, со временем сгустилась, уплотнилась и стала Землей, уже содержалась вода. Скорее всего, она была в виде ледяной пыли. Это подтверждают исследования Вселенной. Вставлено, что начальные элементы для образования воды - водород и кислород в нашей Галактике принадлежат к наиболее распространенным веществ космоса.
Физиологическое значение воды
Суточная потребность в воде - 1,5 и более литров на человека. С возрастом количество воды снижается. При нарушении водного баланса происходит ряд нарушений.
Гигиеническое значение воды.
Суточная потребность воды зависит от региона может достигать до 1000 литров на человека. При отсутствии центрального водоснабжения 60 л.
Классификация загрязнения воды:
1. болезнетворные организмы.
2. Химическое загрязнение воды
А. Неорганическими;
Б. Органичными;
В. Токсичными;
Г. поверхностно-активными соединениями;
Эпидемиологическое значение воды. Около полумиллиарда людей болеет заболеваниями, которые передаются через воду, 3 миллиона погибает.
1. Бактериальные антропонозы (дизентерия, холера)
2. Вирусные (гепатит, полиомиелит)
3. Зоонозные инфекции (лептоспироз).
4. Паразитарные заболевания - заболевания лямблиоз), гельминтозы (геогельминты)
5. Эндемические заболевания. Связанные с минеральным составом воды.
Условия для распространения болезней: возбудитель должен попасть в воду, патогенные микроорганизмы должны сохранять активность в воде, возбудитель должен попасть в организм.
Эпидемиологическая характеристика вспышек заболеваний.
1. Массовость (диффузная) При залповом загрязнении микроорганизм может попасть в водопроводную сеть и вызвать заболевание.
2. Сезонность (ранняя весна)
3. етиологичнистю.
4. клиникой: полиморфизм (разная по степени тяжести клиническая картина)
5. Снижение степени тяжести заболеваний в динамике.
6. Резкий подъем и медленный спад.
При пищевом: вспышки болезни, резкий подъем и спад, примерно одинаковые клинические проявления.
Химический состав воды.
1. Химические вещества присутствуют в любом случае.
2. Химические вещества, которые попадают в воду в результате действия человека.
Минеральный состав воды. В воде общая минерализация - хлориды сульфаты. Влияют на органолептические свойства.
Общая минерализация - соли хлора и серы. Не выше 1 г на литр. Для питьевой воды не более 1 г на литр. Если больше грамма - минеральная вода. Питьевая вода должна быть без вкуса. Минеральная вода - с привкусом. Нормальная питьевая вода - 200-400 мг на литр. Вода с показателями выше - есть слабоминерализованная.
Жесткость воды. Постоянная и устранена жесткость. Устранена - при кипячении выпадают в осадок.
При изменении жесткости воды могут наблюдаться диспепсические расстройства. До 7 мг на литр.
Азотистые соединения. Определяются в любой воде. Образующиеся при окислении органических веществ в воде. При кипячении уничтожаются сапрофитные бактерии, со временем приводит к ухудшению органолептических свойств воды.
Круг обращение азота в воде:
Аммиак-нитриты-нитраты.
По концентрации этих соединений можно говорить об органическом загрязнения воды.
Метгемоглобинемию вызывают нитриты.
Эндемические заболевания.
Флюороз. Проявляется изменением суставов. Остеопороз, тугоподвижность суставов.
Эндемический зоб. Недостаток в воде йода, или наличие большой концентрации соединений, которые его связывают
Химические вещества, попадающие в воду, часто имеют антропогенное воздействие.
В растворенном состоянии БОЛЬШЕ 3000 химических соединений в водоемах.
ПДК - предельно допустимая концентрации.
1. Изучение влияние вещества на органолептические свойства воды.
2. Изучение токсических свойств вещества.
3. Влияние вещества на процессы самоочищения водоемов.
Определяется лимитирующий показатель, на основании которого устанавливается ПДК.
Качество воды - изучение:
1 этап - органолептические свойства.
2 этап - начало 19 века. В Брюсселе документ, нормируют химический состав воды
3 этап - микробиологические показатели.
4 этап - все вместе с середины прошлого века.
Требования к питьевой воде.
1. Должна соответствовать безопасности, безвредна и благоприятная.
2. Качество воды должно соответствовать норме не только на водопроводной станции, но и в местах использования.
3. Безопасность питьевой воды определяется по нормативу, характеризующий микробную, вирусную и паразитарную действие.
4. Безвредность определяется по 3 группам показателей
А. Обобщенные показатели химических веществ, которые содержатся в естественных условиях.
Б. Те образующихся в воде при очистке или обеззараживании.
В. Токсичные химические вещества.
5. Микробиологические показатели.
Органическое загрязнение воды
Определяется по азотистых соединениях.
Окисляемость воды - количество кислорода, которое необходимо для окисления органики.
Биохимическая потребность кислорода - количество кислорода, которое необходимо для биохимического окисления воды.
Микробиологические показатели.
паразитарное загрязнение
Водородный показатель Нормативы 6-9 рН
Гигиенические требования к качеству питьевой воды и ее санитарная оценка на Украине. В Украине эти требования регламентированы санитарным законодательством - документом ДСАНПИН (Государственные санитарные правила и нормы «Вода питьевая». Гигиенические требования к качеству воды централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения № 383 от 23 12. 1996)
Микробиологическую чистоту воды определяют по следующим параметрам:
Микробное число воды это - количество микробов в 1 мл воды.
Определение коли-индекса.
Определение кругу титра.
Определение содержания хлора в воде
Определение остаточного хлора в питьевой воде.
ПДК по микроорганизмами воды для питья.
Коли-титр воды - минимальное количество воды, в которой обнаруживают бактерии группы кишечной палочки - нормы определения не менее 300
Коли-индекс воды-это количество кишечной палочки в 1 л воды - нормы определения не более 3.
Никакой цисты лямблий в 50 литрах воды.
Централизованное водоснабжение.
Гигиеническая характеристика источников водоснабжения.
Требования: доступность водоисточника, достаточное водоемкость источники. Должна быть в 1000 раз больше, чем необходимо для населенного пункта, интенсивность загрязнения должна подвергаться устранению.
Источники воды: подземные, поверхностные.
Расположение источников воды.
Проточные и непроточные. Вода открытых водоисточников колеблется по составу в зависимости от времени года. Наиболее стабильными в этом показатели олиготрофные озера. На глубине 10 м загрязнения и состав постоянных.
Подземные воды наиболее качественные. Делятся на грунтовые и межпластовые. Глубина залегания - 2-4 метра.
Наиболее хорошая - Межпластовые.
Скважины бывают напорные или артезианские и безнапорные.
Качество воды из скважин оптимальна. Химический состав зависит от геологического состава почвы.
Методы очистки:
Барабанные микро фильтры - от грубой суспензии. Размер частиц 0.1мм. Около 40% частиц задерживаются. Почти 100% растворенных соединений не задерживаются.
Коагуляция Процесс укрупнения коллоидных примесей за счет их взаимного слипания. Соли алюминия, железа. До 80% химических веществ адсорбируются. Добавляют флоккулянты - соединения, ускоряющие коагуляцию.
Отстаивания воды.
В отстойниках флокцийни методы являются дополнительными при отстаивании. Особенности - для удаления поверхностно-активных веществ.
Фильтрация воды - Песчаные фильтры. 1-1.5 м. Медленная и быстрая фильтрация. Наиболее опасна с точки зрения химического соединения. Насыпные, ионообменные фильтры, полупроникни мембраны. Адсорбционные фильтры. Активированный уголь, где структура фильтра напоминает сыр.
Обеззараживания воды. Может быть химическим и физическим.
При использовании физических методов невозможно быстро определить качество воды. 90% воды в мире хлорируется. Используется газообразный хлор чаще всего при централизованном водоснабжении в крупных городах. Активное действие обеспечивает или хлор, или хлоорноватиста кислота.
Гидробиология, это наука об экологии воды - наука, изучающая взаимоотношения человека, животных. растений. других живых организмов с водородным окружающей средой. Человек напрямую зависит от экологического равновесия, которая сохраняет стабильность условий окружающей среды, без которого человек не имел бы шансов выжить. А как известно - основой жизни на Земле является вода. В природе существует относительная устойчивость видового состава живых организмов, их численности, производительности, распределения в пространстве, а также сезонных изменений, биотический. круговорот веществ в любых природных сообществах. Существует круговорот и воды. Человек выпивает и съедает за свою жизнь более 50 тонн воды, белков около 2,5 тонн, жиров у 2,0 тонн, углеводов - 10 тонн, соли - 30 кг. Накопление почти незначительного количества вредных веществ в продуктах питания может в течение времени приводить к значительным изменениям со стороны органов и систем и в конце концов негативно влиять на состояние здоровья человека.
