Индивидуальный проект «Биологические аспекты химии элементов»

Муниципальное бюджетно общеобразовательное учреждение «Лицей №1» муниципального образования «город Бугуруслан»

Биологические аспекты химии элементов

Выполнила:

Ученица 10 класса

МБОУ Лицей №1

Спиркина Полина

Руководитель:

Идигишева Нурслу Кубашевна,

учитель химии

МБОУ Лицей № 1

г. Бугуруслан, 2023

Оглавление

Введение……………………………………………………...…………………….3-4

Основная часть…………………..……………………………………………….5-15

1. Теоритическая часть

1. 1. Роль химических элементов в организме человека……………………………………………………………………..……....5

   2. Микроэлементы…………………………………………………….....……6-7

   3. Макроэлементы……………………………………………………...……..8-9

   4. Дисбаланс микро- и макроэлементов в организме человека……....…10-12

1. 1. 1. Недостаток элемента - гипоэлементоз……………………………...…10-11

      2. Избыток элемента – гиперэлементоз……………………………..……11-12

2. Исследовательская часть

2.1. Обеспеченность организма учащихся микро- и макроэлементами и определение обеспеченности микро- и макроэлементами в организме учащихся 10 класса……………………………………………………………………..…13-14

Заключение……………………………………………………………….…………15

Список используемой литературы………………………………………………...16

Приложения……………………………………………………………………..17-18

Введение

Большинство людей мало интересуют химические элементы в их рационе, ведь основное внимание уделяется питательности и сбалансированности БЖУ. В этом кроется упущение: некоторые компоненты пищи предназначены не для поставки энергии, а для улучшения регуляции роста данных поставок, укрепления мышечных волокон, стимуляции роста и так далее. В действительности, микроэлементы даже более незаменимы, чем питательные вещества, из-за их важной роли в биохимии организма.

Мнение о том, что в организме человека можно обнаружить практически все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, становится привычным. Однако по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Изучение и выявление факторов дефицита элементов позволяет осуществить профилактику заболеваний, связанных с недостатком или избытком элементов в организме человека.

Актуальность темы: Здоровый человек может успешно

развиваться, как творческая личность. Современные обстоятельства предъявляют высокие требованию к здоровью умственным способностям молодежи. Изучение и выявление факторов дефицита элементов позволяет осуществлять профилактику заболеваний, связанных с недостатком или избытком элементов в организме человека.

Цель исследования: Изучить влияние химических элементов на организм человека.

Объекты исследования: Избыток и недостаток жизненно важных химических элементов в организме человека.

Гипотеза исследования: В живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определённую биологическую функцию.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по теме исследования;

2. Узнать о роли химических элементов в жизнедеятельности организма человека;

3. Провести анкетирование с целью выявления осведомлённости учащихся о роли химических элементов в организме;

4. Провести анализ анкетных данных и на основе этой информации дать рекомендации по здоровому питанию и здоровому образу жизни.

Исследование:

• Работа с научной литературой;

• Работа с материалом Интернет-ресурсов;

• Тестирование;

• Математическая обработка результатов тестирования;

• Сравнительный анализ.

1. 1. Роль химических элементов в организме человека

Химический состав человека довольно внушителен, в него входят более чем 60 элементов периодической таблицы Менделеева. Из них, 11 химических элементов – базовые, жизненно необходимы для любого человека, при этом еще почти полтора десятка микроэлементов также считаются необходимыми для жизни. Так же в организме человека имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами. Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы. Так, большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. На изменение содержания химических элементов в организме воздействуют разнообразные заболевания. К примеру, при рахите происходит нарушение фосфорно-кальциевого обмена, что приводит к уменьшению содержания кальция. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена снижается содержание в организме кальция, натрия, хлора и увеличивается содержание магния и калия. Роль химических элементов в организме человека крайне разнообразна.

В группу макроэлементов входят:

 эссенциальные (жизненно-важные) - железо (Fe);

 структурные – калий (K), кальций (Ca), магний (Mg), натрий (Na), сера (S), фосфор (P), хлор (Cl).

В группу микроэлементов входят:

 эссенциальные - йод (I), медь (Cu), марганец (Mn), молибден (Mo), селен (Se), хром (Cr), цинк (Zn);

 условно-эссенциальные – бор (B), бром (Br), ванадий (V), кремний (Si), кобальт (Co), литий (Li);

 условно-токсичные – кадмий (Cd), мышьяк (As), никель (Ni), олово (Sn), свинец (Pb);

 структурные – фтор (F). ( см. Приложение 1)

1. 1. Микроэлементы

Микроэлементы это группа химических элементов, которые содержатся в организме человека в очень малых количествах, в пределах 10^3-10^12 %. Большинство из них – металлы. Так, установлено, что многие биологические катализаторы (ферменты) содержат ионы металлов. Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо - в 70, медь - в 30, а цинк - более чем в 100 (6). Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма.Микроэлементы входят в состав структуры биологически активных веществ: ферментов, гормонов и витаминов. Их нехватка приводит к серьезным заболеваниям организма. Микроэлементы участвуют в обмене белков, жиров, углеводов, синтезе белка в организме, теплообмене, кроветворении, костеобразовании, размножении, реакциях иммунитета.

К основным необходимым организму микроэлементам относятся йод, цинк, селен, фтор.

Характеристика микроэлементов:

Эссенциальные:

Йод (J) – его общее в организме варьируется от 20 до 50 мг, из них 15 мг - в щитовидной железе. Значительное количество йода находится в печени, почках, коже, волосах и ногтях. Этот элемент необходим для построения гормонов щитовидной железы. Данный микроэлемент содержится в морепродуктах, грецких орехах. Для успешной борьбы с возникновением йодной недостаточности ведущие специалисты мира пришли к единому мнению - необходимо употреблять в пищу йодированную соль.

Медь (Cu) – данный химический элемент содержится в организме человека в количестве 100-150 мг. В печени взрослых людей находится в среднем 35 мг меди на 1 кг сухого веса. Потребность в данном микроэлементе у взрослого человека составляет 2 мг в день. Медь – важный катион, входящий в состав многих ферментов. Он принимает активное участие в обмене веществ железа, формировании соединительной ткани, выработке энергии на клеточном уровне, продукции меланина (пигмента, отвечающего за цвет кожи) и в нормальном функционировании нервной системы. Ключевыми источниками меди для человека являются орехи, шоколад, грибы, печень, злаки и сухофрукты. Также медь поступает в организм с водой, при условии, что она контактировала с медьсодержащими предметами, например с медьсодержащей посудой. (см. Приложение 2)

Селен(Se) - массовая доля элемента в организме человека колеблется от 10-5 до 10-7%. Селен попадает в организм с пищей. Суточная потребность человека в селене составляет около 100 мкг. Селен, являясь химическим аналогом серы, входит в состав биосубстратов в степени окисления – 2. Известно, что селен накапливается в ногтях и волосах. Селен является элементом, выполняющим в организме многочисленные защитные функции. Селен – мощный антиоксидант, усиливающий иммунную защиту организма. Данный микроэлемент защищает организм от скопления продуктов окисления.

Структурные:

Фтор(F) - В организме микроэлемент находится в связанном состоянии, обычно в виде труднорастворимых солей с кальцием, магнием, железом. Соединения фтора входят в состав всех тканей человеческого тела. Особенно много фтора (99% всего его количества) приходится на кости и зубную эмаль. Фтор жизненно необходим для нормального роста и развития. В организме фтор участвует во многих важных биохимических реакциях, таких как ингибирование ферментов липазы и эстеразы. Фтор участвует в образовании костной ткани, формировании эмали и дентина зубов. Фтор также имеет очень сильно выраженный противокариесный эффект, который можно объяснить замещением гидроксильной группы (OH-) гидроксиапатита эмали на фтор. Содержание данного элемента в теле взрослого человека составляет около 2,6 г, а среднесуточное поступление фтора с пищей - 0,5-1,5 мг. Основным источником фтора для организма является вода. В пищевых продуктах фтора обычно содержится мало. Большое количество фтора содержится в морепродуктах, грецких орехах, рыбе, гречневой и рисовой крупе, картофеле. Особенно много этого элемента содержится в чёрном и зелёном чае.

1. 1. Макроэлементы

Значимость макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ огромна. К примеру, основное количество кальция и фосфора входит в кости, а хлор в виде соляной кислоты находится в желудочном соке. Важное значение макроэлементов заключается в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава. Характеристика макроэлементов:

Эссенциальные:

Железо (Fe) - общее содержание железа в организме человека составляет около 4,25 г. Из этого количества 57% находится в гемоглобине крови, 23% - в тканях и тканевых ферментах, а остальные 20% - депонированы в печени, селезенке, костном мозге и представляют собой "физиологический резерв" железа. Средний пищевой рацион человека должен содержать не менее 20 мг железа. Неотъемлемый элемент многих ферментов и белков. «Железное голодание» сильно бьет по организму. Прежде всего, нарушается синтез гемоглобина - железосодержащего белка эритроцитов крови, вследствие чего поступает меньше кислорода к органам и тканям. Развивающееся кислородное голодание негативно отражается на качестве жизни человека. Первыми страдают сердце, головной мозг, почки. В больших количествах содержится в свиной печени, говяжьих почках, сердце и печени, непросеянной муке, сырых моллюсках, сушеных персиках, яичных желтках, устрицах, орехах, бобах, спарже, овсяном толокне. (см. Приложение 2)

Структурные:

Калий (K) - в организме взрослого человека содержится 160-180 г калия (около 0,23% от общей массы тела). Биоусвояемость данного элемента организмом составляет 90-95%.Суточная потребность в калии составляет 2500-5000 мг. Калий является основным внутриклеточным катионом, поэтому калию свойственна разрыхлять клеточные оболочки, делая их более проницаемыми для прохождения солей. Калий регулирует содержание воды в тканях, помогает выработке большинства ферментов, необходим для ясности ума, лечения аллергии. Лучшими натуральными источниками макроэлемента являются цитрусовые, томаты, все зеленые овощи с листьями, листья мяты, семечки подсолнуха, бананы, картофель. Кроме того, существуют специальные препараты, позволяющие повысить содержание калия в организме. 

Кальций (Ca) - общее содержание элемента в организме человека составляет примерно 1,9% общего веса человека, при этом 99% всего кальция приходится на долю скелета и лишь 1% находится в остальных тканях и жидкостях организма. Средний пищевой рацион кальция для взрослого человека составляет – 600-1200 г в день. Кальций в пище, как растительной, так и животной, находится в виде нерастворимых солей. Всасывание их в желудке почти не происходит. Физиологическая регуляция уровня кальция в крови осуществляется гормонами паращитовидных желез и витамином D посредством нервной системы. Кальций участвует во всех жизненных процессах организма. Нормальная свертываемость крови, происходит только в присутствии солей кальция. Кальций играет существенную роль в нормальной ритмической работе сердца. Но главная его роль – это участие в работе мышечных тканей, так как все мышечные сокращения в организме идут с участием кальция, содержащегося в крови. При этом миллиарды ионов кальция (Ca2+) «заходят» в мышечные клетки и «выходят» из них. Больше всего кальция содержится в молоке и молочных продуктах. Другими источниками являются некоторые зеленые овощи (брокколи), орехи, соевый творог, осажденный кальцием. (см. Приложение 2)

Магний (Mg) - общее содержание макроэлемента в организме человека составляет примерно 21 г. Главное «депо» магния находится в костях и мышцах: в костях фосфорнокислого магния содержится 1,5%, в эмали зубов - 0,75%. Ежедневная потребность в магнии – 250-350 мг. Магний является необходимой составляющей всех клеток и тканей, участвуя вместе с ионами других элементов в сохранении ионного равновесия жидких сред организма, входит в состав ферментов, связанных с обменом фосфора и углеводов, обладает сосудорасширяющими свойствами (снимает спазмы), улучшает желчеотделение участвует в процессе нервно-мышечной возбудимости. Магний поступает в организм с пищей, водой и солью. Особенно богата магнием растительная пища - необработанные зерновые, миндаль, орехи, темно-зеленые овощи, бананы.

1. 1. Дисбаланс микро- и макроэлементов в организме человека.

Довольно часто нормальное содержание того или иного элемента в организме нарушается, вследствие чего наблюдается:

 недостаток какого-либо элемента - гипоэлементоз;

 избыток какого-либо элемента - гиперэлементоз.

1. 1. 1. Недостаток элемента - гипоэлементоз

Между различными макро- и микроэлементами существуют непростые взаимоотношения, все они представляют собой сложную и взаимосвязанную систему. Элементы подобные между собой по своим физико-химическим свойствам или размеру атомов могут активно конкурировать в системах, которые осуществляют всасывание, транспорт или обмен веществ. Такое негативное взаимодействие элементов получило название антагонизм. Например, цинк и медь препятствуют усвоению друг друга, кальций и железо снижают усвоение марганца, Селен уменьшает содержание в организме кадмия, никеля, ртути и свинца. Кроме того, дефицит элементов может быть вызван употреблением некоторых лекарственных средств. Многие макро и микроэлементы исчезают после кулинарной обработки. В наш рацион прочно вошли рафинированные (очищенные) продукты, сахар, консервы, замороженные мясо, рыба, овощи, в которых по сравнению со свежими продуктами остается только половина необходимых химических элементов. В результате образовался разрыв между количеством калорий, которые мы съедаем, и содержанием в пище макро- и микроэлементов. Теперь, чтобы обеспечить необходимый набор минеральных веществ, приходится искусственно обогащать рацион витаминами и минералами. В России у большинства детей, подростков и пожилых людей не хватает магния, цинка и железа. Недостаток того или иного элемента очень опасен: он приводит к определённым изменениям в состоянии организма.

Наиболее распространенным дефицитом является дефицит цинка. В результате наблюдается шелушение кожи, выпадение корней волос и нарушения репродуктивной системы. Также известно, что отсутствующий элемент значительно увеличивает вероятность бактериальных и вирусных инфекций, а в крайних случаях даже вызывает шизофрению или эпилепсию. 

На втором месте дефицит меди – его частые проявления – уменьшение количества эритроцитов (анемия), лейкоцитов (лейкопения) и нейтрофилов (нейтропения), а также уменьшение плотности костной ткани (остеопороз). Возникают небольшие точечные кровоизлияния в кожу и артериальные аневризмы.

При дефиците магния наблюдается усталость, бессонница, мышечные боли и проблемы с костями, частая тошнота, апатия, стресс, депрессия.

При дефиците железа развивается малокровие, наблюдается снижение памяти и концентрации внимания, затруднённое глотание, снижение умственного и физического развития.

При дефиците кальция наблюдается нарушениям костеобразования, в результате чего у детей развивается рахит, а у взрослых - размягчение костей. Возрастает риск переломов костей. Недостаток солей кальция в организме приводит к неправильному развитию костной ткани, кариесу, снижению свертываемость крови.

Дефицит натрия ведёт к судорожным сокращениям скелетных мышц, расстройствам кровообращения, угнетению центральной нервной системы. При длительном отсутствии в пище поваренной соли (NaCl) могут возникнуть болезненные явления – головокружение, исхудание, обморок и судороги.

При дефиците йода у взрослых развивается зоб (увеличение щитовидной железы). У детей недостаток йода сопровождается резкими изменениями всей структуры тела. Ребенок перестает расти, умственное развитие задерживается (кретинизм).

Дефицит кобальта приводит к снижению памяти, вегетососудистым нарушениям, медленному выздоравливанию после болезней.

Серьезным изменениям в состоянии организма, связанным с дефицитом химических элементов, в первую очередь подвержены: - дети и подростки в период интенсивного роста; - беременные и кормящие матери; - спортсмены; - люди с хроническими заболеваниями желудочно-кишечного тракта; - люди, которые бесконтрольно "садятся" на диеты или плохо питаются; - люди, злоупотребляющие алкоголем и наркотиками.

1. 1. 1. Избыток элемента – гиперэлементоз

Многие причины гиперэлементоза такие же, как и для гипоэлементоза, а именно: неправильное питание, особая обработка земли вследствие чего в ней содержится больше макро- и микроэлементов. Кроме этого, избыток химических элементов в организме отмечается у людей, проживающих вблизи ТЭЦ, металлургических, химических, радиотоксических и аккумуляторных предприятий. Существует группа риска, куда входят представители таких массовых профессий, как металлурги, шахтёры, сварщики, токари, химики, водители. Избыток химических элементов в организме человека так же, как и недостаток, ведёт к серьёзным изменениям.

При повышенном содержании железа приводит к серьезным повреждениям органов и тканей. При хроническом избыточном накоплении железа поражаются поджелудочная железа, печень, сердце, гонады и суставы. При этом избавиться от избытка железа часто намного труднее, чем устранить его дефицит.

При избытке кальция или неверных его пропорциях с фосфором и магнием, кальций откладывается в мышцах, миокарде и почках, могут возникнуть камни в почках. Длительный избыток кальция нарушает функционирование нервной и мышечной ткани, свертываемость крови, нормальное усвоение цинка клетками скелета

При острой гипернатриемии могут наблюдаться неврологические симптомы, а также тошнота, рвота, судороги, кома, нарушения терморегуляции.

При избытке йода наблюдается раздражительность, мышечная слабость, потливость, исхудание, склонность к диарее. В некоторых случаях проявляются такие симптомы, как слезотечение, сопровождаемое кашлем, конъюнктивит и шум в ушах, головные боли и головокружение.

Избыток меди становится причиной функциональных расстройств нервной системы, нарушений функции печени и почек, развития атеросклероза.

Избыток цинка замедляет рост и нарушает минерализацию костей.

При избытке кобальта повышается артериальное давление, содержание эритроцитов в крови, поражается сердечная мышца и слуховой нерв.

Свинец в небольших количествах вызывает анемию, почечную недостаточность, заболевания мозга. Он нарушает деятельность сердечнососудистой системы, вызывая изменения активности сердечной мышцы, повреждения мышечной стенки сосудов и нарушение сосудистого тонуса.

1. Исследовательская часть

   1. Обеспеченность организма учащихся микро- и макроэлементами и определение обеспеченности микро- и макроэлементами в организме учащихся 10 класса

В практической части своей работы я решила выяснить, что знают о микро- и макроэлементах и их значении для здоровья мои сверстники. С этой целью я провела социологическое исследование среди учащихся 10 класса. Полученные результаты представлены на диаграммах.

1. Знания об элементном составе человеческого организма.

Ответы на этот вопрос показывают, что учащиеся имеют представление о химическом составе человеческого организма.

1. Осведомлённость о микроэлементах и макроэлементов.

Ответы на этот вопрос показывают, что учащиеся осведомлены о понятии микроэлементов и макроэлементов.

1. Прием биологических добавок.

Ответы на этот вопрос показывают, что большая часть учащихся принимает витамины, а, следовательно, заботится о своем здоровье.

Подводя итоги маленького опроса, я сделала вывод о том, что учащихся знают достаточно много информации о значении химических элементов и их влиянии на организм человека. Так же, в профилактических целях, я подготовила доклад о микро и макроэлементах и их влиянии на организм и выступила с ним перед моими одноклассниками.

Подводя итоги практической части, можно сделать вывод: для большинства учащихся важна и интересна информация, связанная со здоровьем человека. Правильное питание, забота о своей внешности, гармоничное развитие и здоровый образ жизни тесно связаны между собой и чем больше подростки будут информированы в этой области, тем более здоровым будет будущее поколение.

Заключение

В ходе теоритической части данной работы и результатов исследований мною были сделаны следующие выводы:

1. В живом организме не только присутствуют химические элементы, но так же каждый из них выполняет определённую биологическую функцию в нём.

2. По результату исследования было проведено профилактическое ознакомление учащихся с дополнительной информацией о химических веществах, содержащихся в их организмах.

3. Получая микроэлементы из внешней среды, человек находится в постоянной зависимости от химического состава воды, пищи, воздуха. Именно поэтому, для профилактики разного рода болезненных состояний человека, необходимо разнообразное, полноценное питание.

4. Кроме того, следует проводить профилактические работы с учащимися и их родителями, для разъяснения основ здорового образа жизни.

Данная работа помогла мне понять важность и необходимость изучать химические элементы. Поэтом я считаю, что поставленная мною цель достигнута и я получила много новой информации при создании данной работы.

Список литературы

1. Кнорре Д. Р., Мызина С. Д. — Биологическая химия: Учеб. для хим., биол. и мед. спец. вузов 3-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2002

2. . Грязев В.А. Киви и другие культуры для лечебного питания. Сочи, 2005 г.

3. Губарева Л. И., Мизирева О.М., Чурилова Т. М. Экология человека. Практикум для ВУЗов. М. Владос. 2003 г.

4. Краткая медицинская энциклопедия. Под ред. В.И. Покровского. М. 1994 г.

5. Могош Георге. Острые отравления. Медицинское издательство. Бухарест, 1984.

6. Николаев Л.А. Общая и неорганическая химия. М. «Просвещение», 1974 г.

7. Рохлов В.С. и др. Биология человека. М. 2000 г.

8. Скальный А.В. Микроэлементный человек. Ж. «Химия и жизнь» № 1, 2008

9. Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайтов: http://www.alhimik.ru/ http://ru.wikipedia.org/ http:// stolica-medikl.ru/ https://infourok.ru/ https://obuchonok.ru/

Приложение 1

Приложение 2

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/532513-individualnyj-proekt-biologicheskie-aspekty-h