Біохімія – розділ біології, що вивчає хімічний склад як окремих клітин, так і всього організму в цілому. Відомо, що майже 98 % клітинного вмісту включають атоми кисню, вуглецю, азоту і водню. Ці хімічні елементи називаються органогенними. 18 % припадає на калій, натрій, магній, хлор, фосфор. В організмі людини вони входять в склад мінеральних солей і мають вигляд простих або складних іонів, забезпечуючи нормальне протікання реакцій обміну речовин. Наприклад, найважливіші сполуки клітини, що відповідають за передачу спадкових ознак – нуклеїнові кислоти, – містять аніони кислотних залишків ортофосфорної кислоти.


В молекули АТФ, від яких залежить забезпечення клітин енергією, також входять фосфоровмісні іони. У даній статті ми наведемо приклади, що підтверджують важливу роль фосфору в організмі людини та його вплив на обмін речовин.

Ковалентні полярні зв'язки та їх значення

В основі будови органічних речовин, що становлять живу матерію, лежить здатність їх молекул утворювати певний тип хімічного зв'язку. Вона називається ковалентного полярного і, існуючи між атомами неметалів, обумовлює основні хімічні характеристики сполук. Біохімія, вивчаючи склад молекул речовин, що входять у клітини рослин, грибів, тварин, встановила їх хімічний склад. Виявилося, що, крім азоту, вуглецю, кисню, в них входить і фосфор. В організмі людини він не зустрічається у вільному стані, так як є високотоксичною речовиною. Тому в живих системах елемент має форму аніонів мета-, орто - або пирофосфорной кислоти, які мають здатність до утворення зв'язків з катіонами металів. У яких же речовинах клітини вони можуть зустрічатися?

Фосфор у складі складних органічних молекул

Білки кісткової системи, гормони, вітаміни і ліпіди утворюють з фосфорсодержащими складними іонами комплексні сполуки. В організмі людини присутні складні з'єднання – фосфоліпіди і фосфопротєїди, що входять до складу молекул біологічно активних речовин – ферментів і стероїдів. Ковалентні полярні зв'язки в нуклеотидах ДНК і РНК забезпечують утворення фосфодиэфирних зв'язків в ланцюгах нуклеїнових кислот. Для чого потрібен фосфор в організмі людини і які його функції в обміні речовин? Спочатку розглянемо це питання на клітинному рівні організації.

Місце фосфору в елементному складі клітини

За змістом в цитоплазмі і органелах (02-1 %), металоїд знаходиться на четвертому місці після органогенних елементів. Найбільш насичені сполуками фосфору клітини опорно-рухової системи - остеоцити, речовина зубної тканини – дентин. Велика їх зміст в нейронах і нейроглии, з яких складається нервова система. Атоми фосфору містяться в мембранних протеїнах, нуклеїнових кислотах і енергоємних речовин – аденозинтрифосфорної кислоти, АТФ та у відновленій формі никотинамиддинуклеотидфосфата - НАДФxН 2 . Як бачимо, в організмі людини фосфор міститься в усіх життєво значущих структурах: клітинах, тканинах, фізіологічних системах.
Відомо, що рівень гомеостазу клітини, яка є відкритою біологічною системою, залежить від концентрації різних іонів в гиалоплазме і міжклітинної рідини. Яка ж функція фосфору в підтримці сталості внутрішнього середовища організму людини?

Буферна система

Завдяки властивості полупроницаемости через зовнішню мембрану в клітину постійно надходять різні речовини, висока концентрація яких може негативно позначитися на її життєдіяльності. Щоб нейтралізувати надлишок токсичних іонів, цитоплазма, разом з катіонами натрію, калію, кальцію, містять кислотні залишки карбонатної, сульфітної та фосфорної кислот. Вони здатні вступати в реакції з надлишком іонів, які потрапили в клітину, і контролювати сталість внутрішньоклітинного вмісту. Буферна система, крім іонів слабких кислот, обов'язково містить аніони НРО 4 2 - і Н 2 РВ 4 - , що містять фосфор. В організмі людини він у складі буферної системи забезпечує фізіологічно нормальне протікання реакцій обміну речовин на клітинному рівні.

Окисне фосфорилювання

Розщеплення органічних сполук у клітині носить назву аеробного дихання. Місце його проведення – мітохондрії. На внутрішніх складках – кристах органел – розташовані комплекси ферментів. Наприклад, система АТФ-аза містить молекули - переносники електронів. Завдяки реакціям, катализируемим з допомогою ферментів, з АДФ і вільних молекул фосфорної кислоти синтезується АТФ – універсальна енергетична речовина клітин, витрачається на розмноження, ріст, рух. Його освіту можна представити у вигляді спрощеної схеми реакції: АДФ + Ф = АТФ. Потім молекули аденозинтрифосфорної кислоти акумулюються в цитоплазмі. Вони служать джерелом енергії для здійснення механічної роботи, наприклад, у м'язовій системі і в реакціях пластичного обміну. Отже, фосфор в організмі людини відіграє провідну роль у процесах обміну енергії.

Фосфодиэфирние зв'язку молекул спадковості

Високий вміст атомарного фосфору реєструється в клітинному ядрі, так як елемент входить до складу нуклеїнових кислот. Відкриті ще в 19 столітті швейцарським вченим Ф. Мишером, вони являють собою біополімери і складаються з мономерів – нуклеотидів. Фосфор присутній як в самих пуринових і піримідинових підстав, так і в зв'язках, які формують ланцюги РНК і суперспираль ДНК. Мономери нуклеїнових кислот здатні утворювати полімерні структури завдяки виникнення ковалентних зв'язків між пентозою і залишками фосфорної кислоти поряд лежачих нуклеотидів. Вони називаються фосфодиэфирними. Деструкція молекул ДНК і РНК, що виникає в клітинах людини під впливом жорсткого гамма-випромінювання або внаслідок отруєння токсичними речовинами, що відбувається з причини розриву фосфодиэфирних зв'язків. Вона призводить до загибелі клітини.

Біологічні мембрани

Структури, що обмежують внутрішній вміст клітини, також мають у своєму складі фосфор. В організмі людини до 40 % сухої маси тіла припадає на сполуки, що містять фосфоліпіди і фосфопротєїди. Вони є головними компонентами мембранного шару, в якому присутні ще і такі речовини, як білки і вуглеводи. Високий вміст фосфору характерно для оболонок нейроцитов і їх відростків – дендритів і аксона. Фосфоліпіди додають мембранам пластичності, а завдяки наявності молекул холестерину ще й міцності. Вони також відіграють роль вторинних посередників – сигнальних молекул, які є активаторами ефекторних білків, що беруть участь у проведенні нервового імпульсу.

Паращитовидні залози та їх роль в обміні фосфору

Схожі на горошини, що лежать на обох частках щитовидної залози і мають вагу по 05-08 г кожна, околощітовідние залози секретують паратгормон. Він регулює обмін таких елементів, як кальцій і фосфор в організмі людини. Функції полягають у впливі на остеоцити і остеобласти – клітини кісткової системи, які під впливом гормону починають виділяти солі фосфорної кислоти у позаклітинну рідину. При гіперфункції паращитовидних залоз кістки людини втрачають міцність, розм'якшуються і руйнуються, вміст фосфору в них різко падає. У цей час підвищується ризик переломів хребта, кісток таза і стегна, що загрожують життю хворого. Одночасно зростає кількість кальцію. Це призводить до гіперкальціємії з симптомами ураження периферичних нервів і падіння тонусу скелетних м'язів. Паратгормон діє на нирки, зменшуючи реабсорбцію солей фосфору з первинної сечі. Підвищення вмісту фосфатів у тканинах нирок служить причиною гиперфосфатурии і утворення каменів.

Мінеральний склад кісткової тканини

Твердість, міцність і еластичність опорної системи залежить від хімічного складу клітин кісткової тканини. Остеоцити містять як органічні сполуки, наприклад білок осеїн, так і неорганічні речовини, що містять фосфорнокислі солі кальцію і магнію. З віком у людини кількість мінеральних компонентів, таких як гидроксилапатити, в остеоцитах та остеобластах зростає. Аномальна мінералізація кісткової тканини, накопичення солей кальцію і надлишок фосфору в організмі людини призводять до втрати еластичності та міцності всіх відділів скелета, тому літні люди частіше піддаються небезпеки травм і переломів.

Перетворення сполук фосфору в організмі людини

Найбільша травна залоза в організмі людини – печінка відіграє провідну роль у реакціях обміну фосфоровмісних речовин. Гормони околощитовидной залози і вітамін Д також впливають на ці процеси. Добова потреба елемента для дорослих становить 10-2 0 г, для дітей і підлітків – до 25 р. Фосфор у вигляді легко засвоюваних солей, а також у комплексах з білками і вуглеводами поступає в людський організм з їжею. Насичені їм насіння соняшника, гарбуза, конопель. У продуктах тваринного походження фосфору багато у курячій печінці, яловичині, твердих сортах сиру, риби. Надлишок фосфору в організмі може виникнути внаслідок порушення реабсорбционной функції нирок, неправильного застосування вітамінів, нестачі кальцію в продуктах харчування. Негативний вплив фосфору на організм людини проявляється передусім в ураженні серцево-судинної системи, нирок і кісткового апарату і може свідчити про серйозні порушення обміну речовин.