Химия окружающей среды : химия живых организмов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 
 

 

 

 
 

 

№ 472 

Кафедра экстракции и рециклинга черных металлов

Е.С. Михалина 
А.Л. Петелин 

Химия окружающей среды

Химия живых организмов 

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению Металлургия 

Москва  2011 

УДК 54.504 
 
М69 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. Е.А. Новикова 

Михалина, Е.С. 
М69  
Химия окружающей среды : химия живых организмов : курс 
лекций / Е.С. Михалина, А.Л. Петелин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2011. – 64 с. 
ISBN 978-5-87623-457-5 

В курсе лекций рассмотрено влияние на организм человека макронутриентов и микронутриентов – веществ, принимающих участие в обеспечении 
жизнедеятельности организма человека. Подробно рассмотрено воздействие 
на организм ряда отдельных веществ, присутствующих в окружающей среде 
и естественном круговороте. 
Предназначен для подготовки бакалавров по направлению «Металлургия», а также может быть полезен для подготовки дипломированных специалистов по специальности 150109 «Металлургия техногенных и вторичных 
ресурсов» и при изучении специальных предметов на второй ступени обучения при подготовке магистров.  

УДК 54.504 

ISBN 978-5-87623-457-5 
© Михалина Е.С., 
Петелин А.Л., 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ..........................................................................................................4 
1. ВЕЩЕСТВА, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 
ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ..................................................................................5   
1.1. Основные пищевые вещества. Современная классификация ..............5 
1.2. Макроэлементы и микроэлементы в организме человека....................6 
2. МАКРОНУТРИЕНТЫ И ИХ РОЛЬ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 
ОРГАНИЗМОВ ....................................................................................................11 
2.1. Белки и их функции................................................................................11 
2.2. Жиры и их функции................................................................................20 
2.3. Углеводы и их функции .........................................................................23 
3. МИКРОНУТРИЕНТЫ И ИХ РОЛЬ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ..............26 
3.1. Витамины. История появления. Общая биологическая роль.............26 
3.2. Водорастворимые и жирорастворимые витамины..............................29 
3.3. Совместимость витаминов и минералов ..............................................35 
3.4. Витаминоподобные вещества................................................................42 
3.5. Микроэлементы белковой природы......................................................48 
3.6. Микронутриенты липидной природы...................................................49 
3.7. Микронутриенты углеводной природы................................................54 
3.8. Живые кишечные микроорганизмы (пробиотики)..............................55 
3.9. Пищевые ферменты растительного происхождения...........................57 
3.10. Парафармацевтики................................................................................57 
Библиографический список................................................................................63 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Данное издание является продолжением расширенного курса лекций «Химия окружающей среды». В нём подробно рассмотрено воздействие на организм человека ряда отдельных веществ, присутствующих в окружающей среде и естественном круговороте.  
В курсе лекций рассмотрено влияние на организм человека макронутриентов и микронутриентов – веществ, принимающих участие 
в обеспечении жизнедеятельности организма человека. 
Предлагаемый материал позволит студентам получить более полное представление о воздействии на организм не только ксенобиотиков, но также витаминов и минеральных веществ, входящих в состав 
витаминных комплексов. Они смогут ознакомиться с современными 
научными сведениями относительно механизма действия различных 
минеральных и витаминных веществ в живых организмах. При изложении материала особое внимание уделялось процессам, протекающим в организме человека. Студенты познакомятся с природными и техногенными веществами, участвующими в биологических 
процессах, узнают о биологическом действии ряда веществ и способах управления их влиянием на организм человека. 

1. ВЕЩЕСТВА, НЕОБХОДИМЫЕ 
ДЛЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 
ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА 

1.1. Основные пищевые вещества. 
Современная классификация 

В настоящее время самой распространенной классификацией пищевых веществ является следующая. 
Макронутриенты:  
1) белки; 
2) жиры; 
3) углеводы. 
Микронутриенты: 
1) витамины; 
2) витаминоподобные вещества; 
3) макроэлементы; 
4) микроэлементы; 
5) микроэлементы белковой природы: 
– аминокислоты; 
– полипептиды; 
6) микронутриенты липидной природы: 
– омега-3 полиненасыщенные жирные кислоты; 
– гамма-линоленовая кислота; 
– фосфолипиды и липотропные вещества; 
– фитостерины; 
7) микронутриенты углеводной природы: 
– пищевые волокна; 
– неусваиваемые олигосахариды (пребиотики); 
– полисахаридные адъюванты; 
8) живые кишечные микроорганизмы (пробиотики); 
9) пищевые ферменты растительного происхождения; 
10) парафармацевтики: 
– гликозиды; 
– алкалоиды; 
– индолы и изотиоционаты; 
– органические полисульфиды; 
– фитоэстрогены; 

– сапонины; 
– фитостерины; 
– терпены и др. (всего около 1000 парафармацевтиков, обнаруживаемых непосредственно в пищевых продуктах). 
Рассмотрим подробно влияние на организм вышеперечисленных 
веществ, участвующих в жизнедеятельности организма. 

1.2. Минералы в организме человека – макро- 
и микроэлементы 

Биологически значимые элементы (в противоположность биологически инертным элементам) – химические элементы, необходимые организму человека или животного для обеспечения нормальной 
жизнедеятельности. Биологически значимые элементы классифицируют на макроэлементы (содержание которых в живых организмах 
составляет больше 0,001 %) и микроэлементы (содержание менее 
0,001 %). 
Минералы в человеческом теле – это и так называемые макроэлементы (которых действительно много) и микроэлементы, которых в 
нем всего 0,04...0,06 %. Между человеческим организмом и окружающей средой постоянно идет обмен веществ, происходит убыль и 
макро- и микроэлементов. Содержание и тех, и других человеку приходится непрерывно пополнять. 
Использование термина «минерал» по отношению к биологически значимым элементам. Микро- и макроэлементы (кроме кислорода, водорода, углерода и азота) попадают в организм, как правило, при 
приёме пищи. Для их обозначения в английском языке существует термин «Dietary mineral». В конце XX века российские производители некоторых лекарственных препаратов и биологически активных добавок 
стали использовать для обозначения макро- и микроэлементов термин 
«минерал», калькируя англоязычное «Dietary mineral». С научной точки 
зрения такое употребление термина «минерал» является неправильным, 
в русском языке это слово следует использовать только для обозначения 
геологического природного тела с кристаллической структурой. Тем не 
менее производители так называемых биологических добавок, возможно в рекламных целях, стали называть свою продукцию витаминоминеральными комплексами. 
 
Микроэлементы. Термин «микроэлементы» получил особое распространение в медицинской, биологической и сельскохозяйствен

ной научной литературе в середине XX века. В частности, для агрономов стало очевидным, что даже достаточное количество «макроэлементов» в удобрениях (троица NPK – азот, фосфор, калий) не 
обеспечивает нормального развития растений.  
Микроэлементами называются элементы, содержание которых в 
организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Рекомендуемая суточная доза потребления микроэлементов для человека составляет менее 200 мг. В последнее время стал использоваться заимствованный из европейских 
языков термин «микронутриент» (англ. micronutrient). 
Потребность человека в микроэлементах в количественном отношении намного (в 400–500 раз) меньше, чем в макроэлементах, но 
это именно тот случай, когда «мал золотник, да дорог». Так, фтор 
необходим для здоровья костной и особенно зубной ткани; цинк, кобальт и медь – кроветворные элементы, а соединения марганца ответственны за рост, размножение и уровень холестерина в крови, недостаток этого элемента ведет к возникновению нервных расстройств. Источником цинка, меди и кобальта служат овощи – морковь, капуста, петрушка и особенно свекла. 
Поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма предусматривает в первую очередь поддержание качественного и количественного содержания минеральных веществ в тканях 
органов на физиологическом уровне. 

Основные ультрамикроэлементы. По современным данным более 
30 микроэлементов считаются необходимыми для жизнедеятельности 
растений, животных и человека. Среди них (в алфавитном порядке): 
бром, железо, йод, кобальт, марганец, медь, молибден, селен, фтор, 
хром, цинк. Чем меньше концентрация соединений в организме, тем 
труднее установить биологическую роль элемента, идентифицировать 
соединения, в образовании которых он принимает участие. К числу несомненно важных относят ванадий, кремний, йод, марганец, селен и др. 
В процессе усвоения организмом витаминов, микроэлементов и 
макроэлементов возможен антагонизм (отрицательное взаимодействие) или синергизм (положительное взаимодействие) между разными 
компонентами.   

Основные причины, вызывающие недостаток минеральных 
веществ: 
– неправильное питание или однообразное питание, некачественная питьевая вода; 

– геологические особенности различных регионов – наличие эндемических (неблагоприятных) районов; 
– большая потеря минеральных веществ по причине кровотечений, болезни Крона, язвенного колита; 
– употребление некоторых лекарственных средств, связывающих 
или вызывающих потерю микроэлементов. 
 
Макроэлементы. Эти элементы слагают плоть живых организмов. К макроэлементам относят те элементы, рекомендуемая суточная доза потребления которых составляет более 200 мг. Макроэлементы, как правило, поступают в организм человека вместе с пищей. 

Биогенные элементы: 
– углерод; 
– кислород; 
– водород; 
– фосфор; 
– азот; 
– сера. 
Эти макроэлементы называют биогенными (органогенными) эле-
ментами, или макронутриентами (англ. macronutrient). Из макронутриентов преимущественно построены такие органические вещества, 
как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Для обозначения 
макронутриентов иногда используют акроним CHNOPS, состоящий 
из обозначений соответствующих химических элементов в таблице 
Менделеева. 

Другие макроэлементы. Это калий, кальций, магний, натрий, 
хлор. Рекомендуемая суточная доза > 200 мг. 
Макроэлементов (кальция Са, фосфора Р, магния Mg, калия К, натрия Na, хлора Cl, серы S) человеку требуется сравнительно много: 
до двух-трех граммов в сутки. А потребность человека в микроэлементах (таких как железо Fe, медь Cu, марганец Mn, цинк Zn, кобальт Co, йод I, фтор F, хром Cr, молибден Mo и др.) составляет в 
сутки всего лишь несколько миллиграммов, а порой и того меньше. 
Однако если их не хватает, наступает беда: без одних нарушаются 
процессы кроветворения, без других не могут нормально функционировать железы внутренней секреции; иначе говоря, становятся невозможны рост, развитие и жизнедеятельность организма. 
Все необходимые человеку макро- и микроэлементы должны присутствовать в рационе питания, причем в строго определенном соотношении. В организме должно поддерживаться определённое кислотно-щелочное равновесие: натрий, калий, кальций (элементы, которые биохимики и физиологи называют «щелочными») должны 

преобладать над серой, фосфором, хлором, фтором и другими «кислотными» элементами. 
В большинстве распространенных продуктов питания (мясе, рыбе, 
яйцах, сыре, крупе и мучных изделиях) основная часть минеральных 
веществ служит источником макро- и микроэлементов кислотного 
типа. Поэтому ограничиваться в рационе питания одними этими 
продуктами недопустимо. 
Наибольшее «ощелачивающее» действие оказывают овощи и 
фрукты. Вдобавок овощи – это и важнейший источник калия, помогающего деятельности сердца. 

Фосфаты кальция, в частности ортофосфат, составляют минеральную основу костей и зубов. Другие соединения кальция участвуют в нервной и мышечной деятельности, входят в состав тканевой 
жидкости, ядер и стенок клеточной ткани живого организма. Кальций уменьшает аллергические реакции, а это особенно важно в наше 
время. Суточная потребность в кальции – от 0,8 до 2 г, а источники 
этого элемента – молоко и кефир, творог, сыр, рыба, фасоль, петрушка, зеленый лук, а также яйца, гречка, овсянка, морковь и горох. 
Но в пище есть и «враги» кальция, которые препятствуют усвоению этого элемента. Главные «антикальцинисты» – это щавелевая 
кислота и фитин, связывающие кальций в неусвояемую форму. Со 
щавелевой кислотой кальций образует малорастворимый оксалат 
кальция, а фитин тоже довольно прочно удерживает кальций. Важно 
не злоупотреблять блюдами из щавеля и шпината, в листьях которых 
содержится 0,1...0,5 % щавелевой кислоты. Фитин, присутствующий 
в овощах и злаках, разрушается при нагревании и поэтому причиняет 
меньше неприятностей. Поэтому ржаной хлеб полезнее пшеничного – в нем фитина меньше. Однако следует иметь в виду, что в некоторых случаях врачи прописывают фитин как лекарство. 

Фосфор также относится к макроэлементам, необходимым организму. Помимо зубной, костной и нервной тканей, фосфорные соединения входят в состав жиров (фосфолипидов), многих белков, 
биологически активных веществ, таких как ферменты. Фосфор поступает в организм обычно с белковой пищей. 
Ученые-медики считают, что следует строго выдерживать соотношение кальция и фосфора, поступающих к человеку с пищей; оптимальным признано соотношение этих элементов, равное 1 : 1 по 
массе (или, в крайнем случае, 1 : 1,5). При избытке фосфора возможна даже потеря кальция костной тканью (остеопороз), что ведет к 
уменьшению их прочности и частым переломам. 

Магний наряду с кальцием в виде ортофосфата образует костную 
ткань. Им богаты все зеленые овощи: магний входит в состав хлорофилла. Кушайте свежую зелень, желательно круглый год, и вы обеспечите потребность своего организма в магнии, составляющую ежесуточно 0,4 г. 

Калий и натрий – два регулятора водно-солевого обмена в организме: калий выводит воду, а натрий накапливает. Обычно в растительной пище калия в 5–10 раз больше, чем натрия, поэтому при гипертонической болезни и при отеках, когда надо избавляться от 
лишней воды в организме, врачи назначают растительную и бессолевую (без хлорида натрия) диету. 

Потребность человека в хлоре обычно удовлетворяется за счёт 
поваренной соли NaCl. Хлор совершенно необходим для получения 
соляной кислоты HCl, которая постоянно образуется в желудке. Поскольку хлорид натрия выводится из организма, когда человек потеет, то потребность в поваренной соли у работающих в жарком климате или в горячих цехах больше. Она возрастает до 20...25 г в сутки. 

Для кроветворения и тканевого дыхания необходимо железо, входящее в состав гемоглобина крови и миоглобина мышц. Этот элемент переносит кислород в организме. Особенно богаты железом, 
причем в хорошо усвояемой форме, печень, мясо, рыба, икра, а из 
фруктов и овощей – яблоки, смородина, гранаты. Однако некоторые 
медики в последние годы высказывали мнение, что железо усваивается организмом человека лишь из продуктов животного происхождения. 

2. МАКРОНУТРИЕНТЫ И ИХ РОЛЬ 
В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ 

2.1. Белки и их функции 

Белки (протеины, полипептиды) – высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной 
связью альфа-аминокислот. В живых организмах аминокислотный 
состав белков определяется генетическим кодом. При синтезе белков 
в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. 
Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во 
время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько 
молекул белков образуют сложные комплексы, например фотосинтетический комплекс. 
Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из α-L-аминокислот (которые являются мономерами) и, в 
некоторых случаях, из модифицированных основных аминокислот 
(правда, модификации происходят уже после синтеза белка на рибосоме). Для обозначения аминокислот в научной литературе используются одно- или трёхбуквенные сокращения. На первый взгляд может показаться, что присутствие в большинстве белков «всего» 20 
видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, 
но на самом деле количество вариантов трудно переоценить: для цепочки всего из 5 аминокислот оно составляет уже более трех миллионов, а цепочка из 100 аминокислот («небольшой белок») может 
быть представлена более чем в 10 130 вариантах. Молекулы длиной 
от 2 до нескольких десятков аминокислотных остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации – белками, 
хотя это деление весьма условно. 
Схематическое изображение процесса образования пептидной 
связи представлено на рис. 2.1. Подобная реакция происходит в молекулярной «машине» по образованию белка – рибосоме.