Что такое фосфор в биологии

Фосфор (P, Phosphorus)

История фосфора

Фосфор открыл в 1669 году алхимик из Гамбурга Хенниг Бранд, который проводил опыты с выпариванием человеческой мочи, пытаясь получить философский камень. Вещество, образовавшееся после многочисленных манипуляций, оказалось похожим на воск, необыкновенно ярко, с мерцанием, горело. Новому веществу было дано название phosphorus mirabilis (от латинского чудотворный носитель огня). Несколькими годами позже фосфор получил Иоганн Кункель, а также, независимо от двух первых учёных, Р. Бойлем.

Общая характеристика фосфора

Фосфор является элементом XV группы III периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 15 и атомной массой 30,974. Принятое обозначение – Р.

Нахождение в природе

Фосфор содержится в морской воде и земной коре в основном в виде минералов, которых около 190 (самые важные – апатит и фосфорит). Входит в состав всех частей зелёных растений, белков, ДНК.

Физические и химические свойства

фосфор является неметаллом с высокой химической активностью, в свободном виде практически не встречается. Известны четыре модификации фосфора – красный, белый, чёрный и металлический.

Суточная потребность в фосфоре

Для нормального функционирования организм взрослого человека должен получать 1,0-2,0 г фосфора в сутки. Для детей и подростков норма составляет 1,5-2,5 г, для беременных и кормящих женщин возрастает до 3,0-3,8 г (calorizator). Суточная потребность в фосфоре увеличивается во время регулярных спортивных тренировок и при физических нагрузках.

Продукты питания богатые фосфором

Признаки нехватки фосфора

Недостаточное количество фосфора в организме характеризуется усталостью и слабостью, может сопровождаться потерей аппетита и внимания, частыми простудными заболеваниями, тревогой и чувством страха.

Признаки избытка фосфора

Признаками избытка фосфора в организме служат кровотечения и кровоизлияния, развивается анемия, возникает почечнокаменная болезнь.

Полезные свойства фосфора и его влияние на организм

Фосфор обеспечивает нормальные рост костной и зубной тканей организма, поддерживает их в здоровом состоянии, также участвует в синтезе белка, играет важную роль в обмене жиров, белков и углеводов. Без фосфора не могут функционировать мышцы, и не происходит умственная деятельность.

Усвояемость фосфора

При приёме минеральных комплексов стоит помнить о наилучшем балансе фосфора и кальция (3:2), а также о том, что чрезмерное количество магния и железа замедляет процесс усвоения фосфора.

Применение фосфора в жизни

Фосфор широко применяется в промышленности и сельском хозяйстве, прежде всего из-за его горючести. Его используют в производстве топлива, спичек, взрывчатых веществ, фосфорных удобрений и защиты поверхностей металлов от коррозии.

Источник

Фосфор (Р) – роль в организме, применение, суточная потребность, источники

Фосфор (Phosphorus, Р) – химический элемент, который играет важную роль макроэлемента в организме человека и берет непосредственное участие в формировании, развитии и поддержании здоровья сердечно-сосудистой системы, головного мозга и опорно-двигательного аппарата.

Основными функциями фосфора также являются – превращение жиров, углеводов, передача нервных импульсов, синергичная работа с кальцием в формировании костного скелета и зубов. Данный элемент входит в состав фосфолипидов, белков, ДНК и АТФ, в связи с чем по праву имеет титул – «элемент жизни».

В чистом виде Р из-за высокой химической активности практически не встречается, тем не менее, он участвует в образовании около 190 минералов, наиболее популярными из которых являются – апатит и фосфорит. По расчётам ученых, масса земной коры на 0,08-0,09% состоит из фосфора.

История – краткая справка

Свое название фосфор получил от двух древнегреческих слов «φῶς» (свет), и «φέρω» (несу), объеденив которые получаем – светоносный.

Впервые о существовании фосфора заявил в 1669 году немецкий алхимик из г. Гамбург – Хеннинг Бранд (Hennig Brandt). Получил же Бранд совершенно случайно – когда пытался добыть золото из человеческой мочи. Конечно, логика у людей тех времен была уникальна – раз моча золотистая, значит в ней может присутствовать золото. В результате многодневного отстаивания, а после длительного выпаривания мочи, вместо жидкости в емкости остались белые воскоподобные частички непонятного вещества, которые могли ярко гореть и мерцать в темноте. Нововыявленное вещество Х.Бранд назвал «чудотворным носителем света» (phosphorus mirabilis).

Далее, Р смогли добыть — немецкий химик Иоганн Кункель (Johannes Kunckel), в 1680 г. англо-ирландский химик и физик Роберт Бойль (англ. Robert Boyle), в 1743 г. немецкий химик Андреас Маргграф (Andreas Marggraf) и другие.

Получить красный фосфор сумел в середине XIX в — А.Шрёттер, что произошло при нагревании белого фосфора без контакта с кислородом.

Общие данные

Расположение в периодической таблице Д.И. Менделеева: в старой версии — III период, III ряд, V группа, в новой версии таблицы – 15 группа, 3 период.

Физико-химические свойства. Фосфор известен во многих модификациях – белый, красный, желтый, черный, металлический и др., которые еще называются аллотропными. Физические и химические свойства напрямую зависят от его формы, особенно его химическая активность.

Белый фосфор – химически активное вещество белого цвета с легкой желтизной или зеленоватостью, схожее на парафин, легко поддается деформации при небольших физических усилиях. Плохо растворим в воде, при контакте с кислородом и светом начинает светиться бледно-зеленым цветом. Небольшое воздействие температуры способно привести к самовозгоранию вещества. Очень ядовит – попадание внутрь всего 0,05-0,15 г вещества может привести к летальному исходу. При контакте с кожей также способен самовоспламеняться, после чего оставляет сильные ожоги.

Красный фосфор – более устойчивая форма элемента к термическому воздействию, которую получают из его белой формы. Окрашен в красные, фиолетовые цвета с металлическим отблеском. Не растворяется в воде, не светится в темноте, способен самопроизвольно загореться при ударе или трении. Ядовитость в тысячи раз меньше по сравнению с белым. Применяется при изготовлении спичечных коробков – входит в состав терочной поверхности.

Биологическая роль фосфора в организме

В организме фосфор присутствует в виде ортофосфорной и пирофосфорной кислот. Этот элемент входит в состав фосфолипидов, АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), фосфопротеидов, нуклеотидов, различных ферментов и коферментов. В костях человека Р находится в форме гидроксилапатита, в зубной эмали – в виде фторапатита.

В целом, 1% массы тела человека припадает на фосфор в тех или иных формах, из которых около 85% элемента содержится в составе костей из зубов.

Регулирование метаболизма фосфорных соединений производят витамин D и гормоны.

Фосфор выполняет множество важных и полезных функций, среди которых:

Применение фосфора в других сферах человеческой жизни

Суточная потребность

Рекомендуемые суточные дозы фосфора в зависимости от пола и возраста:

Для максимальной эффективности усваивания организмом фосфора его необходимо одновременно употреблять с кальцием, в соотношении – 1,5 (Р) : 1 (Са).

Суточная доза фосфора повышается при обильных физических нагрузках, занятиях спортом.

Нехватка фосфора — симптомы

Дефицит фосфора в организме (гипофосфатемия) дает о себе знать, когда его количество в сыворотке крови составляет 0,81-0,32 ммоль/л и меньше. Это может вызвать ряд осложнений со здоровьем, среди которых:

Причины нехватки фосфора

Применение фосфора в медицине

Применение Р с лечебной целью целесообразно в следующих случаях:

В качестве препаратов фосфора чаще всего применяют биофосфонаты («Этидронат»), «Кальция глицерофосфат».

Избыток фосфора

Избыток фосфора в организме (гиперфосфатемия) также, как и нехватка может вызвать ряд осложнений со здоровьем, среди которых:

Причины переизбытка фосфора

Источники фосфора

В каких продуктах содержится фосфор больше всего?

Химические источники (Р): «Этидронат», «Кальция глицерофосфат», «Фосален», витаминно-минеральные комплексы «Витрум», пищевые добавки Е338, Е339, Е340, Е341, Е342, Е343.

Взаимодействие фосфора с другими веществами

Избыточное количество в организме алюминия, кальция, магния, железа, эстрогенов, андрогенов и тироксина понижают усвояемость фосфора, а также его полную активность;

Прием Р в сочетании с кальцием (пропорция 1,5 Р к 1 Са) взаимодополняют друг друга, тем самым повышая свою активность.

Повышенное количество витамина D способствует переизбытку фосфора, однако, недостаток D приводит к недостатку Р.

При воздействии кислорода — Р легко окисляется.

Видео

Источник

Фосфор. Функции и биологическая роль в организме человека

Биологическая роль фосфора

Накоплению биодоступного фосфора на ранней Земле способствовали удары молний

Рис. 1.
Фульгуриты — стекловидные структуры, образующиеся при ударе в землю молний. Фото из обсуждаемой статьи в
Nature Communications
Фосфор — один из важнейших элементов жизни. Он входит в состав многих органических соединений, без которых невозможно существование живых организмов. Но в свободном состоянии фосфор в природе не встречается из-за высокой химической активности. Поэтому вопрос о том, откуда изначально появились на Земле растворимые в воде соединения фосфора небиогенного происхождения, необходимые для первых организмов, пока остается без ответа. Ученые из США и Великобритании предложили оригинальное решение. Они выяснили, что в фульгуритах — стекловидных структурах, образующихся при ударе в землю молний, присутствует шрейберзит, растворимый в кислой среде минерал фосфора. Авторы подсчитали, что за миллиард лет, прошедший с образования Земли до зарождения жизни, молнии могли произвести достаточно биодоступного фосфора, необходимого для первых живых организмов на нашей планете.

Фосфор — ключевой компонент ДНК, РНК и липидов клеточных мембран. Он также входит в состав молекул АТФ, поставляющих энергию для большинства биохимических и физиологических процессов в живых организмах.

Весь неорганический фосфор на Земле заключен в нерастворимых минералах, в которых он находится в связанном виде, недоступном для вхождения в состав живых организмов. Единственное исключение — шрейберзит, фосфид железа и никеля (Fe,Ni)3P, присутствующий практически во всех железных метеоритах. Поэтому традиционно считается, что пребиотический фосфор попал на Землю во время ранней метеоритной бомбардировки, хотя есть и другие гипотезы (см. Жизнь на Земле могла возникнуть в щелочных озерах с высоким содержанием фосфора, «Элементы», 13.01.2020).

В 2013 году ученые провели эксперимент, в ходе которого получили из шрейберзита Сихотэ-Алинского метеорита, помещенного в теплую кислую среду, пирофосфит — ион фосфористой кислоты, предшественник пирофосфата, молекулы, связанной с АТФ (D. Bryant et al., 2013. Hydrothermal modification of the Sikhote-Alin iron meteorite under low pH geothermal environments. A plausibly prebiotic route to activated phosphorus on the early Earth). Авторы этого исследования считают, что примерно такие условия существовали на ранней Земле, где вулканическая активность была чрезвычайно высокой и охватывала практически всю поверхность планеты. В фумаролах и вулканических гидротермах металлическое железо метеоритов окислялось до двух- и трехвалентного состояния, а зерна шрейберзита высвобождались в окружающую среду, где происходила локализация водорастворимого химически активного фосфора в форме H-фосфита (H2PO3−), в условиях высоких температур переходящего при дегидратации в пирофосфит (H2P2O52−). Таким образом было экспериментально доказано, что источником биодоступного фосфора для пребиотических реакций могло быть метеоритное вещество, которого за первый миллиард лет существования Земли выпало достаточно на поверхность нашей планеты.

Но недавно геохимики из Йельского университета в США и Университета Лидса в Великобритании сообщили об обнаружении альтернативного источника шрейберзита. Речь идет о фульгуритах — структурах, образующихся в местах ударов молний в землю и сложенных в основном стекловидным спекшимся кремнеземом (SiO2). Авторы с помощью спектроскопических методов обнаружили в них шрейберзит в виде мелких шариков — сферолитов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications

Слово «фульгурит» происходит от латинского fulgur

— «молния». При попадании мощной молнии в поверхность Земли канал, но которому движется электрический разряд в толще грунта, раскаляется до температуры, превышающей температуру плавления песка (1600–2000°C). В результате вокруг канала образуются полые ветвистые, в буквальном смысле стеклянные, трубки из спекшегося SiO2. Часто аккуратно выкопанный фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками длиной до нескольких метров и диаметром несколько сантиметров.

Внутренняя часть стенок фульгуритовых трубок сложена плотным кварцевым стеклом с рассеянными в нем частицами карбида кремния (SiC) и аморфного углерода, а внешняя, краевая часть, напоминающая по текстуре пемзу, — вспененным аморфным кремнеземом (рис. 2).

Рис. 2.

Раскопанный фульгурит, напоминающий по форме корень дерева. Изображение из обсуждаемой статьи в
Nature Communications
Обнаруженные в глинистых почвах района Глен-Эллин (Glen Ellyn) в штате Иллинойс (США) фульгуриты авторы исследовали с помощью комплекса аналитических методов, включающих рамановскую спектроскопию, рентгенофлуоресцентный (XRF) и рентгеноструктурный (XRD) анализ, энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию (EDS) и метод дифракции отраженных электронов (EBSD).

В плотной внутренней части трубок авторы обнаружили многочисленные сферолиты фосфида железа (Fe3P) и шрейберзита размером от 10 до 100 мкм. В краевых зонах эти сферолиты более мелкие — от нескольких до десятков микрон.

По расчетам исследователей, температура образования фульгуритов достигала 3000 К в ядре, 2000 К — на границе ядра и «пенистой» каймы, и примерно 1600 К — в краевой части структуры. Измеренное содержание Р2О5 составило 0,22% в окружающей почве и 0,11% и 0,16% в краевой части и ядре фульгурита, соответственно. В почве фосфор присутствует в составе нерастворимых фосфатов (прежде всего, апатита), а в фульгурите — уже в виде шрейберзита и фосфида железа.

По оценкам авторов на 25 кг извлеченного фульгурита приходится от 60 до 172 грамм шрейберзита. Главным фактором, способствующим образованию шрейберзита, является, по мнению исследователей, наличие достаточного количества углерода в виде графита как главного катализатора восстановительных реакций. Однако они отмечают, что даже в безграфитовых фульгуритах, образовавшихся по чистому кварцевому песку, от 20 до 70% фосфора присутствует в виде фосфита (HPO32−) и гипофосфита (H2PO2−) — растворимых в воде биодоступных форм.

Схема образования биодоступных форм фосфора в результате ударов молний на ранней Земле.
а
— в бескислородной, но богатой H2O и CO2 атмосфере по мафическим (железо-магнезиальным) изверженным породам образуется карбонатная (содержащая углерод) кора выветривания (показана
желтым
);
b
— при ударе молнии в коре выветривания образуется фульгурит (показан
красным
);
с
— в фульгурите присутствуют железо, фосфор и углерод, полученные из минералов среды — мафических минералов, фосфатов и карбонатов, — и в процессе восстановления фосфора образуются фосфиды (Fe3P) и фосфиты (например, CaHPO3);
d
— поверхностная вода растворяет фосфиды и фосфиты, образуя промежуточные формы фосфора (НРО43– и НРО32–), которые, в свою очередь, вступают в реакции с богатыми HS– вулканическими гидротермальными растворами и, при участии ультрафиолетовых солнечных лучей, переходят в биодоступную форму НРО43–. Рисунок из обсуждаемой статьи в
Nature Communications
При моделировании процессов восстановления неорганического фосфора до биодоступных форм авторы за исходные брали средние концентрации железа и фосфора в древнейших горных породах Земли — архейских коматиитах и метаморфизованных базальтах формации Исуа в Гренландии. Исследователи также отмечают, что богатые железом карбонаты в корах выветривания этих пород при нагревании выше 700 К частично переходят в облегчающий реакции восстановления фосфора аморфный углерод. А такие температуры легко достижимы при ударах молний.

Сегодня на Земле происходит примерно 560 миллионов вспышек молний в год. Исходя из того, что в ранней атмосфере электрическая активность была более высокой, авторы подсчитали, что на начальных этапах на Земле ежегодно происходило от одного до пяти миллиардов вспышек молний, из них от 100 миллионов до одного миллиарда достигали Земли. За миллиард лет это составляет от 0,1 до одного квинтиллиона ударов. Оценивая количество шрейберзита, которое могло образоваться при каждом ударе, и площадь суши ранней Земли, ученые получили в результате от 110 до 11 000 килограммов реактивного фосфора в год. По их мнению, это в любом случае больше, чем от падения метеоритов, и вполне достаточно для начала процессов пребиотического органического синтеза.

Исследователи считают, что такие процессы стартовали 4,5 млрд лет назад, после того, как в Землю врезалась гипотетическая планета Тейя размером с Марс. В результате столкновения часть мантии была выброшена на орбиту, где из нее образовалась Луна (см. Луна могла сформироваться из выплеснувшейся на орбиту земной магмы, «Элементы», 16.05.2019), а в разогретую атмосферу Земли поступило большое количество глубинных газов, прежде всего СО2. Высокая температура и насыщенность атмосферы углекислым газом привели к более частым и интенсивным грозам с обилием молний.

Авторы отмечают, что гипотеза происхождения пребиотического фосфора при ударах молний имеет ряд преимуществ перед «метеоритной» гипотезой. Во-первых, естественно считать, что количество молний на ранних этапах существования Земли сохранялось примерно на одном и том же уровне, а интенсивность метеоритной бомбардировки неуклонно снижалась. Во-вторых, места падений метеоритов распределены по земной поверхности равномерно, а молнии более часты в теплых регионах (где, по идее, и произошло зарождение жизни) и 75–90 процентов их ударов происходит над сушей или прибрежной полосой моря.

Но скорее всего, оба этих фактора образования пребиотического фосфора в период с 4,5 до 3,5 млрд лет назад (от формирования первой земной коры до зарождения жизни) действовали совместно (рис. 4).

Совместный вклад метеоритов и молний в накопление пребиотического фосфора.
На большой диаграмме
— количество восстановленного фосфора (в кг/год), образованного из разных источников в период с 4,5 до 3,5 млрд лет назад (по оценкам авторов статьи):
голубым
показаны фосфиды метеоритного происхождения,
оранжевым
— фосфиты фульгуритов,
красным
— фосфиды фульгуридов. Предполагаемое время зарождения жизни (Emergence of Life) отмечено
серой полосой
.
На маленькой диаграмме
— изменение интенсивности основных факторов образования пребиотического фосфора в период с 4,5 до 3,5 млрд лет назад:
серые пунктирные линии
— поток метеоритного фосфора, в кг/год (верхняя и нижняя оценка, по данным D. Ritson et al., 2021. Supply of phosphate to early Earth by photogeochemistry after meteoritic weathering);
синяя линия
— парциальное давление СО2 в атмосфере, в барах;
красная линия
— количество молний на км2/год, полученное как функция pCO2. Изображение из обсуждаемой статьи в
Nature Communications
Исходя из всего сказанного, идеальной средой для зарождения жизни на Земле авторы считают тропические острова вулканического происхождения типа современных островных дуг, где продолжающийся в течение длительного времени вулканизм в сочетании с частыми грозами и молниями создали условия для накопления больших количеств пребиотического фосфора из фульгуритов. Также, по мнению исследователей, наличие электрических разрядов в атмосферах других планет может стать основанием для поисков там признаков жизни.

Benjamin L. Hess, Sandra Piazolo, Jason Harvey. Lightning strikes as a major facilitator of prebiotic phosphorus reduction on early Earth //
Nature Communications
. 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-21849-2.

Дефицит фосфора

Причины дефицита фосфора

Последствия дефицита фосфора

Чем опасен переизбыток фосфора?

Переизбыток фосфора токсичен для организма наблюдается при активном выведении («вымывании») кальция. Виной тому служит сладкие напитки, газировка, энергетики и сладости. Также этому способствует высокобелковый рацион, поэтому переизбытку фосфора нередко подвержены спортсмены, активно наращивающие мышечную массу.

Избыток фосфора

Встречается редко — важно соблюдение оптимального соотношения фосфора с кальцием (1:1). Чрезмерное количество фосфора особо опасно для детей в первые месяцы жизни, что может привести к нефропатии.

Причины избытка фосфора

Последствия избытка фосфора

Как обеспечить правильное усвоение фосфора

Если будет избыток алюминия, магния и железа, то фосфор в организме станет абсолютно неэффективным, даже если его количество находится в пределах нормы. В тоже время избыток фосфора приводит к потере кальция и плохой усвояемости магния, что чревато аритмией, мигренями, болями в спине. Как отрегулировать процесс усвоения всех важных элементов в организме не в ущерб друг другу?

Врачи рекомендуют, в первую очередь, скорректировать собственный рацион питания. Например, в возрасте старше 40 лет на столе человека в приоритете должны находиться овощи и зелень, молочные продукты, а не мясо. Такая коррекция облегчит работу почек, и они смогут в активном режиме выводить из организма лишний фосфор. Не лишним будет учитывать еще несколько моментов:

Фосфор в организме играет важнейшую роль, впрочем, как и другие микроэлементы. Недостаток или избыток его может привести к необратимым патологическим процессам, поэтому важно обеспечить поступление фосфора в организм в нормальных количествах. Поможет в этом специалист, а самостоятельное увеличение количества употребляемых продуктов, богатых фосфором, или прием каких-то витаминных комплексов приведет к крайне нежелательным последствиям.

Цыганкова Яна Александровна, медицинский обозреватель, терапевт высшей квалификационной категории

(179 голос., средний: 4,70 из 5)

Похожие записи

Головная боль как симптом: как правильно поставить диагноз?

Укачивание (морская болезнь): причины, лечение, профилактика

Фосфор в продуктах питания

В организме усваивается количество фосфора не более 70%. Только фосфор рыбы всасывается в кишечнике фактически полностью.

Фосфор в продуктах:

Поступление фосфора с продуктами питания по убывающей:

По нисходящей приведены наиболее подходящие продукты для употребления в пищу с содержанием фосфора и кальция.

Норма фосфора в сутки – 800 мг, максимально допустимое количество потребления — 1600 мг.

Источник