Биологическая роль химических элементов в организме человека. Биологическая роль витаминов

Кислород, азот, водород, углерод являются основными компонентами биоорганичесих соединений живого организма.

Натрий (только в виде ионов) участвует в водообмене организма, поляризации клеточной мембраны, генерации биоэлектрических потенциалов, регуляции ритма сердечной деятельности, определении осмотического давления крови, в синтезе гормонов, основной элемент буферной системы крови.

Калий (только в виде ионов) - внутриклеточный элемент, обеспечивающий внутриклеточное осмотическое давление, активацию ферментов белкового синтеза, генерацию биоэлектрических потенциалов, регуляцию ритма сердечной деятельности, участвует в фотосинтезе.

Кальций – антагонист калия, входит в состав мембранных структур, костей, в качестве активатора ферментов необходим для свертывания крови, понижает возбудимость нервной системы.

Магний входит в состав костной ткани, участвует в терморегуляции, активирует синтез ДНК и энергообмен.

Железо – 60-70 % входит в состав гема (гемоглобин и миоглобин), а также в состав цитохромов, участвует в процессе дыхания, в фотосинтезе как компонент ряда окислительных ферментов.

Фосфор входит в состав костной ткани (70-85 % от общего количества элемента в организме), содержатся в крови, в клетках и межклеточных пространствах. Фосфор и его соединения – компоненты нуклеиновых кислот нуклеотидов, нуклеотидных коферментов и макроэргических соединений.

Азот – исходный продукт азотного и белкового обмена. Входит в состав пигментов, нуклеиновых кислот, витаминов.

Сера – компонент аминокислот (цистин, цистеин), витамина В 1 и ряда ферментов.

Медь – компонент миоглобина, компонент ряда ферментов. Участвует в процессах кроветворения.

Марганец – компонент ряда ферментов, где играет каталитическую роль.

Цинк участвует в синтезе растительнрых гормонов.

Литература 1. Овчинникова С.И. Практикум по биологической химии. «Качественный количественный анализ аминокислот, белков, ферментов». УМО университетов России, Мурманск, МГТУ 1999г. 2. Овчинникова С.И. Практикум МГТУ по биохимии. «Качественный и количественный анализ липидов, углеводов, витаминов». УМО университетов России”, Мурманск, МГТУ, 2000 г. 3. Ленинджер А. «Основы биохимии» в 3-х томах. М., Мир, 1985 г. 4. Марри Р., Греннер Д. «Биохимия человека» в 2-х томах. М., Мир, 1993 г. 5. Гудвин Т., Мерсер Э. «Введение в биохимию растений» в 2-х томах. М., Мир, 1986. 6. Бохински Г. «Современная биохимия» М., Мир, 1988 г. 7. Кретович В.Л. «Основы биохимии растений» М., Высшая школа, 1980 г. 8. Мецлер Д. «Биохимия» в 3-х томах. М., Мир, 1980 г. 9. Страйер Л. «Биохимия» в 3-х томах. М., Мир, 1985 г. 10. Г.Малер, Ю.Кордес «Основы биологической химии» М., Мир, 1970 г. 11. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э. «Основы биохимии» в 3-х томах. М., Мир, 1981 г. 12. Диксон М., Уэбб Э. «Ферменты» в 3-х томах. М. Мир, 1982 г. 13. Чечеткин А.В., Головацкий И.Д., Биохимия животных. – М. : Высшая школа, 1982 г. 14. Корниш-Боуден Э. «Основы ферментативной кинетики». М., Мир, 1979 г. 15. Кантор Ч., Шиммел П. «Биофизическая химия» в 3-х томах. М., Мир, 1985. 16. Дженкс В. «Катализ в химии и энзимологии». М., Мир, 1972 г. 17. Скулачев В.П. «Биоэнергетика. Мембранные преобразователи энергии. М., Высшая школа, 1989 г. 18. Ермолаев М.В., Ильичев Л.Г., Биологическая химия - М.: Медицина, 1990г. 19. Хочачка П., Сомеро Дж. «Биохимическая адаптация». М., Мир, 1988 г. 20. Северин С.Е. Практикум по биохимии. - М.: издательство МГУ, 1989г. 21. Досон Р., Эллиот Д., Эллиот У. Справочник биохимика. М, Мир, 1991 г. 22. Анисимов А.А. «Основы биохимии». М., Высшая школа, 1986 г. 23. В.С. Шевелухи «Сельскохозяйственная биотехнология». М., Высшая школа, 1998 г. 24. Овчинникова С.И. Методические указания по биохимии. Мурманск, - МГТУ, 1990-2000 г. г 25. Овчинникова С.И. Конспект лекций по биохимии Часть 1 «Статическая биохимия». Мурманск, - МГТУ, 1997 г. 26. Овчинникова С.И. Конспект лекций по биохимии Часть 2 «Динамическая биохимия». Мурманск, - МГТУ, 1997 г.

Бор. Бор относится к микробиогенным элементам, его массовая доля в организме человека составляет 10" 5 %. Бор концентрируется главным образом в легких (0,34 мг), щитовидной железе (0,30 мг), селезенке (0,26 мг), печени, мозге (0,22 мг), почках, сердечной мышце (0,21 мг). Биологическое действие бора еще недостаточно изучено. Известно, что бор входит в состав зубов и костей, очевидно, в виде трудно растворимых солей борной кислоты с катионами металлов. Имеются данные, что большой избыток бора угнетает амилазу, протеиназу, уменьшает активность адреналина.

Алюминий. По содержанию в организме человека (10 5 %) алюминий относится к микробиогенным элементам. Алюминий концентрируется главным образом в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека. Суточное потребление алюминия человеком составляет 47 мг. Алюминий влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костной ткани, обмен фосфора. Алюминий оказывает воздействие на ферментативные процессы. Избыток алюминия в организме тормозит синтез гемоглобина. Имеются данные, что алюминий может катализировать реакции трансаминирования.

Галлий. Галлий является микроэлементом (содержание в организме человека (10 6 – 10 5 %). Биологическая роль его в живых организмах почти не выяснена.

Индий. В настоящее время биологическое действие индия неизвестно. Не имеется достоверных сведений о его наличии в живых организмах. Учитывая близость атомного строения и физико-химических свойств индия и галлия, можно прогнозировать сходство их биологического действия. Очевидно, индий, как и алюминий, попадая в организм, должен накапливаться в костной и других тканях в виде малорастворимого фосфата.

Углерод. По содержанию в организме человека углерод относится к макробиогенным элементам. Входит в состав всех тканей и клеток в составе молекул белков, жиров, витаминов, гормонов. С биологической точки зрения углерод является органогеном номер 1.

Кремний. По содержанию в организме человека (10 %) кремний относится к микробиогенным элементам. Больше всего кремния в печени, надпочечниках, волосах, хрусталике. Так как природный диоксид кремния плохо растворим в воде, то в организм человека он попадает не столько через пищеварительный тракт, сколько воздушным путем через легкие в виде пылеобразного SiO 2 . С нарушением обмена кремния связывают возникновение гипертонии, ревматизма, язвенной болезни, анемии, заболеваний дыхательной системы. Было установлено, что кремний содержится в коже, хрящах, связках млекопитающих и входит в состав мукополисахаридов, где прочно связан

эфирными связями, возникающими при взаимодействии ортокремниевой кислоты с гидроксильными группами углеводов.

В медицинской практике применяют кремний (IV) карбид SiC -карборунд для шлифовки пломб и пластмассовых протезов. Кремний диоксид SiO2 входит в состав силикатных цементов.Необходимо отметить, что пыль, состоящая из частиц угля, кремния диоксида SiO 2 , алюминия, при систематическом воздействии на легкие вызывает заболевание - пневмокониозы. При действии угольной пыли - это антракоз- профессиональное заболевание шахтеров. При вдыхании пыли, содержащей

SiO2, возникает силикоз, при действии алюминиевой пыли - алюминоз. Механизм развития пневмокониозов во многом неясен. Предполагается, что при длительном контакте силикатных песчинок с биологическими жидкостями

образуется гелеобразная поликремниевая кислота, отложение которой в клетках ведет к их гибели.

Олово. По содержанию в организме человека (10 " 4 %) олово относится к микроэлементам. Сведения о биологической роли

противоречивы.Олово попадает в организм человека с кислыми продуктами, консервированными в жестяных банках, покрытых слоем олова. В кислой среде олово растворяется и в форме соли поступает в кровь, проявляя токсическое

действие. Однако в опытах на крысах установлено, что олово в малых количествах стимулирующе действует на рост крыс. Это дает основание предполагать его необходимость и для человека. Безусловно, выяснение биологической роли этого микроэлемента требует дополнительного изучения. В медицинской практике находят применение различные материалы, в частности пломбировочные, содержащие олово. Так, олово входит в состав серебряной амальгамы (28 %) для изготовления пломб. Применение олова фторида как средства против кариеса зубов.

Свинец. Свинец и его соединения, особенно органические, весьма токсичны. Соединения свинца влияют на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Многие факторы говорят в пользу денатурационного механизма. Установлено, что свинец - один из элементов, присутствие которых в продуктах питания влияет на развитие кариеса. Существуют многочисленные доказательства постепенного накопления свинца в растениях и тканях животных и человека в результате повседневного загрязнения окружающей среды свинцом. С пищей, водой, атмосферным воздухом человек ежесуточно поглощает до 100 мкг свинца. Свинец депонируется в основном в скелете (до 90 %) в форме труднорастворимого фосфата. Массовая доля свинца в организме человека 10~ 6 %, Безопасным для человека считают суточное поступление 0,2-2 мг свинца. В медицинской практике нашли применение как наружные вяжущие антисептические средства: свинец ацетат РЬ(СН 3 СОО) 2 * ЗН 2 О (примочки) и свинец (II) оксид РЬО (входит в состав пластыря свинцового простого).

Азот по содержанию в организме человека (3,1 %) относится к макроэлементам. Если учитывать только массу сухого вещества организмов (без воды), то в клетках содержание азота составляет 8-10%. Этот элемент - составная часть аминокислот, белков, витаминов, гормонов. Азот образует полярные связи с атомами водорода и углерода в биомолекулах. Во многих бионеорганических комплексах - металлоферментах атомы азота по донорно-акцепторному механизму связывают неорганическую и органическую части молекулы.

Вместе с кислородом и углеродом азот образует жизненно важные соединения - аминокислоты, содержащие одновременно

аминогруппу -NH 2 с основными свойствами и карбоксильную группу (- СООН) с кислотными свойствами. Аминогруппа выполняет очень важную функцию и в молекулах нуклеиновых кислот. Огромно физиологическое значение азотсодержащих биолигандов - порфиринов, например гемоглобина. Почти все животные должны получать хотя бы часть необходимого им азота в виде аминокислот, так как их организмы не способны синтезировать все аминокислоты из более простых предшественников. Растения могут использовать в качестве источника азота растворимые нитраты. Только немногие организмы способны усваивать элементный газообразный азот.

В биосфере происходит круговорот азота. Азотный цикл имеет жизненно важное значение для сельского хозяйства.

Необходимо отметить еще одно важное в биологическом плане свойство азота - его растворимость в воде почти такая же, как у кислорода. Присутствие избытка азота в крови может быть причиной развития кессонной болезни. При быстром подъеме водолазов происходит резкое падение давления - соответ­ственно падает растворимость азота в крови (закон Генри) и пузырьки элементного азота, выходящие из крови, закупоривают мелкие сосуды, что

может привести к параличу и смерти.

Фосфор. По содержанию в организме человека (0,95%) фосфор относится к макробиогенкым элементам. Фосфор - элемент органогенный и играет исключительно важную роль в обмене веществ. В форме фосфата фосфор представляет собой необходимый компонент внутриклеточной АТФ. Он входит в состав белков (0,5-0,6%),

нуклеиновых кислот, нуклеотидов и других биологически активных соединений. Фосфор является основой скелета животных и человека (кальций ортофосфат, гидроксиапатит), зубов (гидроксиапатит, фторапатит). Многие реакции биосинтеза осуществляются благодаря переносу фосфатных групп от высокоэнергетического акцептора к низкоэнергетическому. Фосфатная буферная система является одной из основных буферных систем крови. Живые организмы не могут обходиться без фосфора. Значение фосфора состоит и в том, что сахара и жирные кислоты не могут быть использованы клетками в качестве источников энергии без предварительного фосфорилирования. Обмен фосфора в организме тесно связан с обменом кальция. Это подтверждается уменьшением количества неорганического фосфора при увеличении содержания кальция в крови (антагонизм). Суточная потребность человека в фосфоре составляет 1,3 г. Фосфор настолько распространен в пищевых продуктах, что случаи его явной недостаточности (фосфатный голод) практически неизвестны. Однако далеко не весь фосфор, содержащийся в пищевых продуктах, может всасываться, поскольку его всасывание зависит от многих факторов: рН, соотношения между содержанием кальция и фосфора в пище, наличия в пище жирных кислот, но в первую очередь, от содержания витамина D.

Мышьяк. По содержанию в организме человека (1 х 10 6 %) мышьяк относится к микроэлементам. Он концентрируется в печени, почках, селезенке, легких, костях, волосах. Больше всего мышьяк содержится в мозговой ткани и в мышцах. Мышьяк накапливается в костях и волосах и в течение нескольких лет не выводится из них полностью. В относительно больших дозах соединения мышьяка очень ядовиты. Токсическое действие соединений мышьяка обусловлено блокированием сульфгидрильных групп ферментов и других биологически активных веществ.

Сурьма и висмут. По содержанию в организме человека (10" 6 %) сурьма и висмут относятся к микроэлементам. Сурьма и висмут постоянно находятся в живых организмах, однако их физиологическая и биохимическая роль практически не выяснена. Физиологическая роль сурьмы, очевидно, подобна мышьяку. Ионы мышьяка и сурьмы и в меньшей степени висмута являются синергистами. Так, известно, что в биогеохимических провинциях с избытком мышьяка в организмах увеличивается содержание не только мышьяка, но и сурьмы. При этом оба элемента накапливаются в щитовидной железе жителей, угнетают ее функцию и вызывают эндемический зоб. Синергизм мышьяка и сурьмы связан с их способностью к образованию соединений с серосодержащими лигандами. Висмут же более склонен связываться с лигандами, содержа­щими аминогруппы. Так, попадание растворимых соединений висмута в организм приводит к угнетению ферментов амино- и карбоксиполипептидазы.

Кислород. По содержанию в организме человека (мас. доля 62%) кислород относится к макроэлементам. Он незаменим и принадлежит к числу важнейших элементов, составляющих основу живых систем, х. е. является органогеном. Кислород входит в состав огромного числа молекул, начиная от простейших и кончая биополимерами. Исключительно велика роль кислорода в процессах жизнедеятельности, так как окисление кислородом питательных веществ - углеводов, белков, жиров - служит источником энергии, необходимой для работы органов и тканей живых организмов. Большинство окислительно-восстановительных реакций в организме протекает при участии кислорода и его активных форм. Фагоцитарные (защитные) функции организма также связаны с наличием кислорода, и уменьшение содержания кислорода в организме понижает его защитные свойства. При недостатке кислорода эти процессы замедляются, и в результате сопротивляемость организма к инфекциям снижается.

Сера. По содержанию в организме человека (мае. доля 0,16%) сера относится к макробиогенным элементам. Как и кислород, она жизненно необходима. Суточная потребность взрослого человека в сере около 4-5 г. Сера входит в состав многих биомолекул - белков, аминокислот (цистина, цистеина, метионина), гормонов (инсулина), витаминов (витамин В.,). Много серы содержится в каротине волос, костях, нервной ткани. В живых организмах сера, входящая в состав аминокислот, окисляется. Конечными продуктами этого процесса преимущественно являются сульфаты. Кроме того, образуются тиосульфаты, элементная сера, политиоловые кислоты. Образующаяся в организме эндогенная серная кислота участвует в обезвреживании ядовитых соединений -фенола, крезола, индола, вырабатываемых в кишечнике из аминокислот микробами. Кроме того, серная кислота связывает многие чужеродные для организма соединения (ксенобиотики) - лекарственные препараты и их метаболиты. Со всеми этими соединениями серная кислота образует относительно безвредные вещества -конъюгаты, в виде которых они и выводятся из организма.

Селен. По содержанию в организме (мас. доля 10 5 -10 7 %) селен относится к микробиогенным элементам. Селен поступает с пищей -55-110 мг в год. Селен в основном концентрируется в печени и почках. Концентрация селена в крови составляет 0,001-0,004 ммоль/л. Несомненна связь селена с серой в живых организмах. При больших Дозах селен в первую очередь накапливается в ногтях и волосах, основу которых составляют серосодержащие аминокислоты. Очевидно, селен, как аналог серы, замещает ее в различных соединениях.

Установлено, что недостаток селена ведет к уменьшению концентрации фермента глутатионпероксидазы, что, в свою очередь, приводит к окислению липидов и серосодержащих аминокислот. Проведенные в последние годы исследования показали, что селен в комплексе с какой-либо кислотой входит в состав активных центров нескольких ферментов: формиатдегидрогеназы, глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы. Этот фермент вместе с глутатионом защищает клетки от разрушающего действия органических пероксидов и водородпероксида. Хорошо известна и способность селена предохранять организм от отравления ртутью Hg и кадмием Cd. Оказалось, что селен способствует связыванию этих токсичных металлов с другими активными центрами - с теми, на которые их токсическое действие не влияет. В больших дозах селен токсичен.

Теллур и полоний. Теллур обнаружен в живых организмах, однако норма его содержания в тканях и органах не установлена.

Фтор. Масса фтора в организме человека составляет около 7 мг (10 5 %). Соединения фтора концентрируются в костной ткани, ногтях, зубах. В состав зубов входит около 0,01% фтора, причем большая часть приходится на эмаль, что связано с присутствием в ней труднорастворимого фторапатита. Недостаток фтора в организме приводит к кариесу. Обогащение питьевой воды фтором, т. е. фторирование воды с целью доведения содержания в ней фтора до нормы (1 мг/л), способствует значительному снижению заболеваемости кариесом. Вреден не только недостаток, но и избыток фтора. При содержании фтора в питьевой воде выше предельно допустимой нормы (1,2 мг/л) зубная эмаль становится хрупкой, легко разрушается и появляются другие симптомы хронического отравления фтором - повышение хрупкости костей, костные деформации и общее истощение организма. Возникающее в этом случае заболевание называется флуорозом (фторозом).

Хлор. В организме человека содержится примерно ЮОг (2790ммоль) хлора (мае. доля 0,15%). Хлорид-ионы играют важную биологическую роль. Они активируют некоторые ферменты, создают благоприятную среду для действия протеолитических ферментов желудочного сока, обеспечивают ионные потоки через клеточные мембраны, участвуют в поддержании осмотического равновесия. Совместно с ионами натрия и калия хлор участвует в создании определенного осмотического давления и регуляции водно - солевого обмена. Суточная потребность натрия хлорида составляет 5-10 г. Как уже рассматривалось, NaCI необходим для выработки соляной кислоты в желудке. Помимо важной роли соляной кислоты в процессе пищеварения, она уничтожает различные болезнетворные бактерии. Жизненно необходимые хлорид-ионы не обладают токсическим действием, в то время как элементный хлор - высоко токсичный газ. Предельно допустимая концентрация газообразного хлора в воздухе 0, 001 мг/л.

Бром. Масса брома в организме человека составляет около 7 мг (10 %). Он локализуется преимущественно в железах внутренней секреции, в первую очередь в гипофизе. Биологическая роль соединений брома в нормальной жизнедеятельности организма еще недостаточно выяснена. Имеются данные, что соединения брома угнетают функцию щитовидной железы и усиливают активность коры надпочечников. При введении в организм бромид - ионов наиболее чувствительной оказывается центральная нервная система. Бромид - ионы равномерно накапливаются в различных отделах мозга и действуют успокаивающе при повышенной возбудимости. Бромид - ионы могут замещать ионы С1" и Г в организме. Примером этого является замещение йода бромом при избытке брома в организме в гормонах щитовидной железы, что приводит к гипертиреоидизму. В связи с тем, что в организме существует определенная динамическая связь между содержанием в нем бромид - и хлорид - ионов, повышенная концентрация бромид - ионов в крови нарушает равновесие и способствует быстрому выделению почками хлорид - ионов и наоборот. Бромид - ионы легко всасываются в желудочно-кишечном тракте. Токсичность бромид - ионов невысока. Однако вследствие медленного выведения из организма - в течение 30-60 суток - они могут накапливаться (кумулировать), что приводит к развитию хронического отравления (бромизма).

Иод. Иод относится к числу незаменимых биогенных элементов, и его соединения играют важную роль в процессах обмена веществ. В организме человека содержится около 25 мг (4-10" 5 %) йода. Из общего количества йода в организме больше половины находится в щитовидной железе. Почти весь йод, содержащийся в этой железе, находится в связанном состоянии - в виде гормонов - и только около 1 % его находится в виде йодид - иона. Щитовидная железа способна концентрировать ион йода в 25 раз больше по сравнению с содержанием его в плазме. Щитовидная железа секретирует гормоны тироксин и трийодтиронин. Пониженная активность щитовидной железы (гипотиреоз) может быть связана с уменьшением ее способности накапливать йодид -ионы, а также с недостатком в пище йода (эндемический зоб).

Ю. Н. Кукушкин, Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами.

Введение

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se.

Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3.

Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10-3-10-5%. Если содержание элемента ниже 10-5%, его считают ультрамикроэлементом. Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека

Жизненно необходимые элементы

Несомненно, время внесет коррективы в современные представления о числе и биологической роли определенных химических элементов в организме человека. В данной статье мы будем исходить из того, что уже достоверно известно. Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Ca10(PO4)6(OH)2), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.

Микроэлементы вошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них - металлы, а из металлов больше половины являются d-элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы - ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо - в 70, медь - в 30, а цинк - более чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид кривой доза (n) - ответная реакция (R, эффект) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для жизненно необходимых элементов

При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: все должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части - гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких - заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови - печень.

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Таблица 2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Дефицит элемента	Типичный симптом
Ca	Замедление роста скелета
Mg	Мускульные судороги
Fe	Анемия, нарушение иммунной системы
Zn	Повреждение кожи, замедление роста, замедление полового созревания
Cu	Слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторичная анемия
Mn	Бесплодие, ухудшение роста скелета
Mo	Замедление клеточного роста, склонность к кариесу
Co	Злокачественная анемия
Ni	Учащение депрессий, дерматиты
Cr	Симптомы диабета
Si	Нарушение роста скелета
F	Кариес зубов
I	Нарушение работы щитовидной железы, замедление метаболизма
Se	Мускульная (в частности, сердечная) слабость

Биологическая функция других щелочных металлов в здоровом организме пока неясна. Однако имеются указания, что введением в организм ионов лития удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза. Приведем табл. 2, из которой видна важная роль других жизненно необходимых элементов.

Примесные элементы

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, - они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Таблица 3.

Период	Группа
	VIII	I	II	III	IV	V	VI
2	-	-	Be	-	-	-	-
4	Ni	-	-	-	-	As	Se
5	Pd	Ag	Cd	-	-	Sb	Te
6				Tl	Pb	Bi	-

За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определенных функциональных групп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Их диаграмма доза - эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для примесных химических элементов До определенного содержания этих элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации они становятся ядовитыми.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк - сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие.

Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме играет весьма существенную, а порой и катастрофическую роль. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретитах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра - альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

В статье приведена Периодическая система, в которой охарактеризована биоактивность отдельных элементов . Оценка основана на проявлении симптомов дефицита или избытка определенного элемента. Она учитывает следующие симптомы (в порядке возрастания эффекта): 1 - снижение аппетита; 2 - потребность в изменении диеты; 3 - значительные изменения состава тканей; 4 - повышенная повреждаемость одной или нескольких биохимических систем, проявляющаяся в специальных условиях; 5 - недееспособность этих систем в специальных условиях; 6 - субклинические признаки недееспособности; 7 - клинические симптомы недееспособности и повышенная повреждаемость; 8 - заторможенный рост; 9 - отсутствие репродуктивной функции. Крайней формой проявления дефицита или избытка элемента в организме является смертельный исход. Оценка биоактивности элемента сделана по девятибальной шкале в зависимости от характера симптома, для которого выявлена специфичность.

При такой оценке наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необходимые элементы. Например, элементы водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, марганец, железо и др. характеризуются суммой балов, равной 9.

Заключение

Выявление биологической роли отдельных химических элементов в функционировании живых организмов (человека, животных, растений) - важная и увлекательная задача. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходящих все время в организме.

Усилия специалистов направлены на раскрытие механизмов проявления биоактивности отдельных элементов на молекулярном уровне (см. статьи Н.А. Улахновича "Комплексы металлов в живых организмах": Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 8. С. 27-32; Д.А. Леменовского "Соединения металлов в живой природе": Там же. № 9. С. 48-53). Нет сомнения, что в живых организмах ионы металлов находятся в основном в виде координационных соединений с "биологическими" молекулами, которые выполняют роль лигандов. В статье из-за ограниченности объема приведен материал, относящийся главным образом к организму человека. Выяснение роли металлов в жизнедеятельности растений, несомненно, окажется полезным для сельского хозяйства. Работы в этом направлении широко ведутся в лабораториях различных стран.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространенность не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены. Сознательное регулирование человеком содержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий также одна из важных задач, стоящих перед исследователями. Знания, полученные учеными в этом направлении, уже оформились в новую отрасль химической науки - бионеорганическую химию. Поэтому уместно напомнить слова выдающегося ученого XIX века А. Ампера: "Счастливы те, кто развивает науку в годы, когда она не завершена, но когда в ней уже назрел решительный поворот". Эти слова могут быть особенно полезны тем, кто стоит перед выбором профессии.

Список литературы

1. Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.

2. Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. Л.: Химия, 1991.

3. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М.: Высш. шк., 1992.

4. Лазарев Н.В. Эволюция фармакологии. Л.: Изд-во Воен.-мед. акад., 1947.

5. Неорганическая биохимия. М.: Мир, 1978. Т. 1, 2 / Под ред. Г. Эйхгорна.

6. Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О. Бокриса. М.: Химия, 1982.

7. Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию. Киев: Наук. думка, 1973.

8. Kaim W., Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life. Chichester: JohnWileandSons, 1994. 401 p.

Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.

Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава.

Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ в качестве комплексообразователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, про­цессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления - восстановления, проницаемость сосудов и тканей. Макро- и микроэлементы: кальций, фосфор, фтор, иод, алюминий, кремний - определяют формирование костной и зубной тканей.

Имеются данные, что содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Так, содержание кадмия в почках и молибдена в печени к старости повышается. Максимальное содержание цинка наблюдается в период полового созревания, затем оно понижается и в старости доходит до минимума. Уменьшается с возрастом и содержание других микроэлементов, например ванадия и хрома.

Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избыточным накоплением различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит иода- эндемический зоб, избыток молибдена - эндемическую подагру. Такого рода закономерности связаны с тем, что в организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов - химический гомеостаз . Нарушение этого баланса вследствие недостатка или избытка элемента может приводить к различным заболеваниям.

Кроме шести основных макроэлементов - органогенов: углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора, из которых состоят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нормального питания человека и животных необходимы “неорганические” макроэлементы- кальций, хлор, магний, калий, натрий - и микроэлементы - медь, фтор, иод, железо, молибден, цинк, а также, возможно (для животных доказано), селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.

Недостаток в пищевом рационе таких элементов, как железо, медь, фтор, цинк, иод, кальций, фосфор, магний и некоторых других, приводит к серьезным последствиям для здоровья человека.

Однако необходимо помнить, что для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Например, при поступлении избытка марганца с пищей в плазме повышается уровень меди (синергизм Mn и Cu), а в почках он снижается (антагонизм) . Повышение содержания молибдена в продуктах питания приводит к увеличению количества меди в печени. Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм Zn и Fe).

Минеральные компоненты, которые в ничтожно малых количествах являются жизненно необходимыми, при более высоких концентрациях становятся токсичными.

Однако существенное увеличение концентрации микроэлементов может привести к летальному исходу. Как правило, с увеличением заряда ядра атомов увеличивается токсичность элементов данной группы и уменьшается их содержание в организме. Уменьшение содержания, очевидно, связано с тем, что многие элементы длинных периодов из-за больших атомных и ионных радиусов, высокого заряда ядра, сложности электронных конфигураций, малой растворимости соединений плохо усваиваются живыми организмами.

Сходство и различие биологического действия связано с электронным строением атомов и ионов. Близкие значения атомных и ионных радиусов, энергий ионизации, координационных чисел, склонность к образованию связей с одними и теми же элементами в молекулах биолигандов обусловливает эффекты замещения элементов в биологических системах. Такое замещение ионов может происходить как с усилением (синергизм), так и с угнетением активности (антагонизм) замещаемого элемента.

Биологическая роль s-элементов IА-группы. Их применение в медицине

По содержанию в организме человека натрий (0,08 %) и ка­лий (0,23 %) относятся к макроэлементам, а остальные щелоч­ные металлы-литий (10-4%), рубидий (10~5%), цезий (Ю""4 %) -к микроэлементам. Щелочные металлы в виде раз­личных соединений входят в состав тканей человека и животных. Натрий и калий относятся к жизненно необходимым элементам, постоянно содержатся в организме, участвуют в обмене веществ. Литий, рубидий и цезий также постоянно содержатся в орга­низме, однако физиологическая и биохимическая роль их мало выяснена. Их можно отнести к примесным микроэлементам. В организме человека щелочные металлы находятся в виде катиона.

Литий

Доказано, что на уровне клеточных мембран ионы лития (при достаточной концентрации) конкурируют с ионами натрия при проникновении в клетки. Очевидно, замещение ионов натрия в клетках ионами лития связано с большей ковалентностью соединений лития, вследствие чего они лучше растворяются в фосфолипидах.

Установлено, что некоторые соединения лития оказывают положительное влияние на больных маниакальной депрессией. Всасываясь из желудочно-кишечного тракта, ионы лития накапливаются в крови. Когда концентрация ионов лития достигает 0,6 ммоль/л и выше, происходит снижение эмоциональ­ной напряженности и ослабление маниакального возбуждения. Вместе с тем содержание ионов лития в плазме крови нужно строго контролировать. В тех случаях, когда концентрация ионов лития превышает 1,6 ммоль/л, возможны отрицательные явления.

Натрий

Содержание натрия в организме человека массой 70 кг составляет около 60 г (2610 ммоль)-0,08% (см. табл. 5.3). Из этого количества 44 % натрия находится во вне­клеточной жидкости и 9 % - во внутриклеточной. Остальное количество натрия находится в костной ткани, являющейся местом депонирования иона Nа + в организме. Около 40 % натрия, содержащегося в костной ткани, участвует в обменных процессах и благодаря этому скелет является либо донором, либо акцептором ионов натрия, что способствует поддержанию постоянства концентрации ионов натрия во внеклеточной жидкости.

Натрий является основным внеклеточным ионом. В организме человека находится натрий в виде его растворимых солей, главным образом хлорида, фосфата и водородкарбоната. Натрий распределен по всему организму: в сыворотке крови, спинно-мозговой жидкости, глазной жидкости, пищеварительных соках, желчи, почках, коже, костной ткани, легких, мозге.

Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости {осмотического гомеостаза). В виде противо-ионов в соединениях с фосфорной кислотой (фосфатная буферная система Nа 2 НРO 4 + NаН 2 PO 4) и органическими кислотами натрий обеспечивает кислотно-основное равновесие организма. Ионы натрия участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов. Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ион натрия участвует в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток и поддерживает нормальную возбудимость мышечных клеток. При изменении содержания натрия в организме происходят нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой и других систем, гладких и скелетных мышц. Натрий хлорид NаС1 служит основным источником соляной кислоты для желудочного сока.

В организм человека натрий поступает в основном в виде поваренной соли. Истинная ежедневная потребность организма в натрии составляет 1 г, хотя среднее потребление этого элемента достигает 4-7г. Непрерывное избыточное потребление NаС1 способствует появлению гипертонии. В организме здорового человека поддерживается равновесие между количеством потреб­ляемого и выделяемого натрия. Около 90 % потребляемого натрия выводится с мочой, а остальные - с потом и калом.

Многие важные биологические процессы осуществляются только при условии различного ионного и молекулярного со­става внутри клеток и во внеклеточной жидкости. Так, концентрация ионов Nа + внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости. Наоборот, концентрация ионов калия приблизительно в 35 раз выше внутри клетки, чем вне ее.

Чтобы поддержать такое распределение, ионы К + должны постоянно перемещаться из внешней среды, где их концентрация ниже, внутрь клетки, т.е. в среду с более высокой концентрацией ионов К + . Напротив, ионы натрия из клетки, внутри которой их концентрация меньше, перемещаются во внеклеточную жидкость с более высокой концентрацией ионов Nа + .

Этот процесс приводит к повышению энергии Гиббса, а следовательно, в соответствии со 2-м законом термодинамики, самопроизвольно протекать не может. Нормальное распределение ионов обеспечивается работой натрий-калиевых насосов. Эти насосы, обеспечивающие перенос ионов через плазматическую мембрану против градиента концентрации и поддерживающие этот градиент, требуют большой затраты энергии.

Рис. Схема действия Na/K-АТФазы

Поэтому, как и многие другие биохимические процессы, перенос ионов Nа + и К + через клеточные мембраны сопряжен с экзоэргонической реакцией гидролиза АТФ.

Натрий-калиевый градиент обусловливает возникновение разности потенциалов на клеточной мембране. За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона Nа + выводятся из клетки, а два иона К + поступают внутрь клетки. Такой дисбаланс электрических зарядов и служит причиной возникновения разности потенциалов на плазматической мембране, в частности нервных волокон. При этом внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к внешней поверхности мембраны.

Изотонический раствор NаС1 (0,9 %) для инъекций вводят подкожно, внутривенно и в клизмах при обезвоживании орга­низма и при интоксикациях, а также применяют для промывания ран, глаз, слизистой оболочки носа, а также для растворения различных лекарственных препаратов.

Гипертонические растворы NаС1 (3-5-10%) применяют наружно в виде компрессов я примочек при лечении гнойных ран.. Применение таких компрессов способствует по законам осмоса отделению гноя из ран и плазмолизу бактерий (антимикробное действие). 2-5 %-ный раствор NаС1 назначают внутрь для промывания желудка при отравлении AgNОз, который при этом превращается в малорастворимый и нетоксичный серебра хлорид:

Аg + (р) +С1 - (р) =АgС1 (т)

Натрий водородкарбонат (натрий гидрокарбонат, сода двууглекислая, сода питьевая) NаНСОз используют при различных заболеваниях, сопровождающихся повышенной кислотностью-ацидозом (диабет и др.). Механизм снижения кислотности заключается во взаимодействии NаНСОз с кислыми продуктами. При этом образуются натриевые соли органических кислот, которые в значительной мере выводятся с мочой, и углерод диоксид, покидающий организм с выдыхаемым воздухом:

NаНСОз (р) + КСООН (р) -> КСООNа) (р) + Н 2 O (ж) + + СO 2 (г)

Используют NаНСОз и при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. При приеме NаНСОз протекает реакция нейтрализации избыточной соляной кислоты:

NаНСОз (р) + НС1 (р) = NаС1 (р) + H 2 O (ж) + СO 2 (г)

Следует иметь в виду, что применение NаНСОз вызывает ряд побочных эффектов. Выделяющийся при реакции углерод диоксид раздражает рецепторы слизистой оболочки желудка и вызывает вторичное усиление секреции, кроме того, он может способствовать перфорации стенки желудка при язвенной болезни.

Слишком большая доза NаНСОз в результате гидролиза приводит к алкалозу, что не менее вредно, чем ацидоз.

Растворы натрия водородкарбоната применяют в виде полосканий, промываний при воспалительных заболеваниях глаз, слизистых оболочек верхних дыхательных путей. Действие NаНСОз в качестве антисептического средства основано на том, что в результате гидролиза, протекающего в очень незначитель­ной степени, водный раствор NаНСОз проявляет слабощелочные свойства:

NаНСОз + Н 2 O Û NаОН + Н 2 СОз

При воздействии щелочей на микробные клетки происходит осаждение клеточных белков и вследствие этого гибель микро­организмов.

Натрий сульфат (глауберова соль) Nа 2 SO 4 -10Н 2 0 применяют в качестве слабительного средства. Эта соль медленно всасывается из кишечника, что приводит к поддержанию повышенного осмотического давления в полости кишечника в течение длительного времени. В результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются и каловые массы быстрее выводятся.

Натрий тетраборат Nа 2 В 4 O 7 ×10Н 2 0 применяют наружно как антисептическое средство для полосканий, спринцеваний, смазываний. Антисептическое действие тетрабората аналогично NаНСОз и связано с щелочной реакцией среды водного раствора этой соли вследствие ее гидролиза, а также с образованием борной кислоты:

Натрий гидроксид в виде 10 %-ного раствора входит в состав силамина, применяемого в ортопедической практике для отливки огнеупорных моделей при изготовлении цельнолитых протезов из кобальтохромового сплава.

Радиоактивный изотоп Na в качестве метки применяют для определения скорости кровотока, кроме того, он используется для лечения некоторых форм лейкемии.

Калий

Из общего количества калия, содержащегося в организме, 98 % находится внутри клеток и лишь около 2 % - во внеклеточной жидкости. Калий распространен по всему организму. Его топография: печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг и т.д.. Ионы калия К + играют важную роль в физиологических процессах - сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях. Ионы К + являются важными активаторами ферментов, находящихся внутри клетки.

Калий, как уже отмечалось выше, в большинстве случаев является антагонистом натрия.

Ионы Nа + и К + принимают участие в биокатализе, образуя смешанные комплексы типа фермент - катион - субстрат.

Подтверждением того, что комплексообразование калия с ферментами и субстратами играет важную роль в транспорте ионов, является образование комплексов этих катионов с антибиотиком валиномицином. Уже давно известно, что антибиотики, подобные валиномицину, вызывают транспорт ионов калия в митохондрии. Валиномицин образует прочный комплекс с иона­ми калия, в то время как ион натрия связывается этим анти­биотиком в очень незначительной степени. Вследствие этого валиномицин можно рассматривать как биологическую модель переносчика ионов калия через плазматические мембраны в клетку.

Взрослый человек обычно потребляет с пищей 2-3 г калия в сутки. Концентрация ионов калия К4" во внеклеточных жид­костях, включая плазму, составляет в норме 3,5-5,5 ммоль/л, а концентрация внутриклеточного калия-115-125 ммоль/л.

При калиевом истощении применяют калий хлорид КС1 4-5 раз в день по 1 г.