БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ

Стр 1 из 4Следующая ⇒

В состав каждого растительного и животного организма входят все известные химические элементы и их изотопы. Они являются неотъемлемой частью жидкостей, тканей и костей организма человека, участвуют в регулировании жизненных функций организмов на всех стадиях развития. Патология человека и животных, обусловленная дефицитом жизненно необходимых (эссенциальных) элементов, избытком как эссенциальных, так и токсичных микроэлементов, а также дисбалансов макро-и микроэлементов, получила свое объединяющее название – миркоэлементозы (Авцин и др.)

Гипомикроелементозы – это заболевания возникшие при дефиците эссенциальных микроелементов.

Гипермикроелементозы – это заболевания вызванные токсическим действием излишних эссенциальных, а также токсичных микроелементов (токсикопатии).

М икроэлементы (МЭ) обладают широким спектром синергических и антагонистических взаимоотношений. Все эссенциальные МЭ в различной степени и в разные периоды жизненного цикла организма оказывают на них большое влияние так как они вступают в соединение с органическими веществами синтезируемые живыми клетками. МЭ влияют на рост и развитие организмов, на процессы оплодотворения, дыхания, кроветворения иммуногенеза, т.е. – на деятельность всех морфо-физиологических систем организма.

Поэтому, нарушение баланса химических элементов в среде вызывает изменения в организме животных и человека. МЭ гомеостаз. Существуют биогеохимические эндемии природного происхождения, эндемические болезни, как реакция на аномальный состав природной среды, измененной техногенной деятельностью человека.

Биологические реакции организмов на изменение геохимических факторв могут проявляться в следующих формах:

А) толерантности(приспосабливаемости);

Б) образовании нових рас (генетические мутации проявляються не сразу. После возникновения мутации длительное время сохраняются и переходят из поколения в поколение);

В) эндемических заболеваний;

Г) уродств и гибели организмов. Последние формы проявляються в случаях резкой недостаточности или избыточности какого-либо елемента в среде.

Классификация МЭ

МЭ – это ХЭ в организме, которые содержатся в пределах от 10^-3 до 10^-12% от общей массы тела.

Классификация (количественная – 3 группы)

Макроэлементы – 1-9% к массе тела - С, Н, О, N, Са;

- 0, 1-0.9% к массе тела - Р, К, Na, S, Cl,

- 0, 01-0, 09% к массе тела –Mg

Микрэлементы - 0.001-0.009 ---Fe, Zn, F, Sr, Mo, Cu

- 0.0001-0.0009 ----Br, Si, Cs, J, Mn, Al, Pb,

-0.00001-0.00009 ----- Cd, B, Rb

Они находяться в пределах 3-100мг на 70 кг веса.

Тело человека содержит 10 в 19степени ионов каждого из этих элементов.

А в теле человека находяться примерно 10 в 14ст. клеток, потому каждая клетка содержит от 10 в 5ст. до 10 в 6ст. ионов этих элементов. Метаболически активне клетки содержат большее количество ионов, а в клетках жирових, хрящем, костей их меньше.

Ультрамикроэлементы -0.000001-0.0000009 -------Se, Co, V, Cr, As, Ni, Li, Ba, Ti, Ar, Sn, Be, Ga, Ge, Hg, Sc, Zr, Bi, Sb, U, Th, Rа

Микро- и ультрамикроелементы содержатся в организме в виде биологически активных органических соединений. Даже саме редкие из элементов способны оказывать физиологическое воздействие на кардую клетку организма.

Таблица 1. Среднее содержание минеральных элементов в организме млекопитающих

Классификация, основанная на биологической роли элементов, представляет наибольший интерес для физиологов, биохимиков и специалистов в области питания человека. Согласно этой классификации, минеральные элементы, обнаруженные в организме делят на три группы:

жизненно необходимые (биогенные, эссенциальные элементы);
вероятно (условно) необходимые (условно эссенциальные элементы);
элементы с малоизученной или неизвестной ролью.

Таблица 2. Классификация МЭ по биологической роли для млекопитающих

Жизненно необходимые элементы	Вероятно необходимые элементы	Элементы с малоизученной ролью
Кальций	Фтор	Литий
Фосфор	Кремний	Бор
Калий	Титан	Алюминий
Хлор	Ванадий	Германий
Натрий	Хром	Цирконий
Цинк	Никель	Олово
Марганец	Мышьяк	Цезий
Молибден	Бром	Ртуть
Йод	Стронций	Висмут
Селен	Кадмий	Торий
Сера		Берилий
Магний		Скандий
Железо		Галлий
Медь		Рубидий
Кобальт		Серебро
		Сурьма
		Барий
		Свинец
		Радий
		Уран

Для большинства млекопитающих животных, в том числе и человека, эту классификацию можно представить следующим образом (рисунок 1).

Рисунок 1. Классификация минеральных элементов [1]

Группа эссенциальных элементов включает в себя все макроэлементы, часть микро- и ультра микроэлементов. Это подтверждает мысль о том, что порядок концентрации того или иного микроэлемента в организме еще не определяет его биологического значения. Элемент может быть отнесен к группе эссенциальных, если он удовлетворяет следующим требованиям:

постоянно присутствует в организме в количествах, сходных у разных индивидуумов;
ткани по содержанию данного элемента всегда располагаются в определенном порядке;
синтетический рацион, не содержащий этого элемента, вызывает у животных характерные симптомы недостаточности и определенные биохимические изменения в тканях;
эти симптомы и изменения могут быть предотвращены или устранены путем добавления данного элемента в пищу.

Депо Мишени

Костная, нервная ткань, почки алюминий Почки, костная система, ЦНС,

слизистая желудка кроветворение, яичники, матка, молочне

железы

Причины: антисептики антациды, дезодоранты, посуда консервов, керамические зубы, протезы.

печень, кости, волосы, кожа мышьяк кожа, слизисте, печень, канцероген

(кожа, печень, легкие), периферическая

НС (слуховой нерв), сосуды, эритроциты,

иммунная система

Причины: пестициды, морская рыба, красители, легированные стали, стекольная промышленность, полупроводниковая промышленность, обработка древесины, химическое оружие, куреник, ветеринарне мед.препараты, пестициды.

кости кальций костная ткань (остеопороз, переломы),

мышечная ткань(судороги, повышенная

возбудимость, боли в мышцах)

почки(МКБ), щитовидная

железа(дисфункция), иммунная

система(снижение им., аллергозы)

кроветворение(плохая свертываемость)

Причины: н/питание, заб.щ.ж. с гиперфункцией, избыток фосфора, свинца, цинка, кобальта, магния, железа, калия, натрия, остеопороз, заб. почек, вегетативная дисфункция, дефіцит витамина Д, панкреатит, беременность и лактация, слабительные и мочегонные.

почки, печень кадмий почки, кожа, простата, слизисте, ЦНС

Причины: куреник, краски кадмиевые, диализ, проф.: легирование стали, цветная металлургия, аккумуляторы, гальваника, паяльные работы.

Слизистые, кожа, легкие, сердце кобальт печень(стеатоз), ЦНС(снижение памяти,

заторможенность, маразм),

кроветворение( анемия, б.Аддинсона-

Бирмера), костная система

(остеодистрофия)

Причины: недостаточность В12, бытовая техника, диализ, наследственная пернициозная анемия, дезодоранты, атрофия слизистой желудка, тонкого кишечника, инвазия широким лентецом, злоупотребление пивом(избыток).

При избытке( у люб. пива-полицитемия, миокардиодистрофия, гиперплазия щ.ж., аллергодерматит, пневмосклероз, кобальтовая пневмония).

Легкие, ретикулоэндотелиальная хром ЖКТ(поражение печени, язвы), система кроветворная система(поражение

эритроцитов)система, кожа(екзема, язвы, дерматит), почки(нефропатия), дыхательные пути(фиброз легких, аллергозы, прободение носовой перегородки, опухоли)

Причины: аккумуляторы, хромовые красители, Проф.: огбработка древесины, хромирование, кожевенное и текстильное производство, производство цемента, красителей, специальных сталей.

Печень, мозг медь Иммунная система(риск опухолей легких, грудных желез, поджелудочной железы), генетические нарушения обмена меди(б.Вильсона-Коновалова-гепатоцеребральная дистрофия), печень(гепатит, цироз, холецистит), эндокринная система( тиреотоксикоз, струма), кожа (гиперпигментация), почки(МКБ, пиелонефрит), ЖКТ(колит), соединительная ткань (артриты, артрозы, б.Бехтерева, склеродермия, подагра, варикозный тромбофлебит), ЦНС( судороги, риск шизофрении, повышенная возбудимость), ретикулоэндотериальная система( тромбоциты, свертываемость крови).

Причины: краски(медь-лазурь, оксид меди), пестициды, пиротехника, внутриматочная спираль, профессиональная гальваника, стекольная и текстильная промышленность, производство меди, кабелей, вода.

Эритроциты, мышцы, слизистая железо кроветворение(анемия, гемохроматоз,

кишечника, печень гемосидероз), сердце( нарушение

обменных процессов), мышцы(слабость,

снижение выносливости)

ЦНС(головокружение, нарушение

внимания, памяти, головная боль)

иммунитет(увеличение частоты простуд),

слизисте кишечника, печень

Причины: вегетарианство, нед.вит.С, кровотечения, гастрит со снижен. Кислотностью, глистная инвазия, нар. функции щ.ж, лечение комплексонами, облучение, фиброзно-кистозные образования, донорство, беременность, физ.нагрузка, опухоли, инфекции, ревматизм, болезни печени, селезенки.

Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов и 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.

Значение этих ионов для жизнедеятельности клетки было понято уже давно. Абсолютное количество этих ионов и их баланс поддерживаются в живых системах в узких границах; любое экспериментальное изменение в этой части приводит к выраженным изменениям ряда биологических свойств - клеточной проницаемости, раздражимости, сократимости, вязкости протоплазмы, а также к нарушению процесса клеточного деления. О важном значении ионного баланса можно судить по тому факту, что часто пары этих катионов обнаруживают антагонистическое действие. Так, известно, что К⁺снижает вязкость протоплазмы и вызывает расслабление мышц, тогда как Са²⁺ обусловливает переход цитоплазмы в состояние геля и инициирует мышечное сокращение. Отметим интересную черту баланса Na+—К⁺: у животных Na+ присутствует главным образом вне клеток, в тканевой жидкости, тогда как К⁺ сосредоточен в клетке. Естественно, что для поддержания такого распределения этих ионов клетка должна затрачивать энергию.

Значение ионного состава и ионного баланса в живых системах явствует также из факта замечательного постоянства этих характеристик на протяжении всей биологической эволюции. В таблице 3 приведен ионный состав нескольких организмов, относящихся к разным эволюционным типам, в сравнении с ионным составом морской воды.

Таблица 3. Ионный состав жидкостей тела некоторых организмов

в сопоставлении с ионным составом морской воды

	Na+	К+	Са2+	Mg2+	Сlˉ	SО4ˉ ˉ
ПОЗВОНОЧНЫЕ
Человек (млекопитающее)		5, 1	2, 5	1, 2		2, 5
	3, 5	1, 7	0, 83		1, 7
Крыса (млекопитающее)		6, 2	3, 1	1, 6
	4, 2	2, 1	1, 1
Лягушка (амфибия)		2, 5		1, 2
	2, 4	1, 9	1, 2
Lophius (рыба)		6, 4	2, 3	3, 7
	2, 8		1, 6
БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ
Hydrophilus (насекомое)			1, 1			0, 14
		0, 93			0, 13
Омар (членистоногое)		8, 6	10, 5	4, 8
	1, 9	2, 3			2, 2
Venus (моллюск)		7, 4	9, 5
	1, 7	2, 2	5, 7		5, 9
Морской огурец (иглокожее)		9, 7	9, 3
	2, 3	2, 2			7, 2
Морская вода		9Д	9, 4
	2, 2	2, 3			7, 2

Пояснение к таблице:

Цифры, набранные жирным шрифтом, - относительные величины (содержание Nа⁺ принято за 100);

Остальные цифры - абсолютные величины, выраженные числом миллимолей на 1 л.

Маккаллум первым отметил, что наблюдающийся здесь параллелизм есть доказательство того, что жизнь возникла в море.[3] Последующая эволюция мало что изменила в первоначальном ионном балансе. По прошествии миллиарда лет эволюции в наземных условиях в наших клетках и в жидкостях нашего тела сохраняется ионный баланс морской воды (хотя, конечно, жидкости тела менее концентрированы, чем морская вода, причем так было всегда - и сейчас, и миллиард лет назад).

Однако при общем консерватизме ионного баланса наблюдается все же постепенное изменение концентрации некоторых ионов в ходе эволюции. Сильнее всего выражено изменение в абсолютных концентрациях, особенно в абсолютных концентрациях Na⁺, Mg²⁺, СГ и SO₄^2- Кроме того, наблюдается также постепенное снижение относительных концентраций Mg²⁺ и SO₄^2-.

Наше понимание роли этих ионов на молекулярном уровне пока носит лишь общий характер. Известно, что главные макромолекулярные компоненты клетки - белки и нуклеиновые кислоты - представляют собой отрицательно заряженные поливалентные ионы. Следовательно, их противоионами служат катионы. Более того, было обнаружено, что между различными макромолекулами и специфическими катионами существуют вполне определенные взаимоотношения. Так, концентрация Mg²⁺ влияет, как оказалось, на агрегацию рибосом (по-видимому, эти ионы воздействуют на РНК, входящую в состав этих частиц). При снижении концентрации Mg²⁺ эти цитоплазматические органеллы распадаются на два компонента меньшего размера. Кальций почти наверняка служит противоионом фосфолипидного компонента клеточных мембранных систем. Действие Са²⁺ на снижение порога возбудимости нерва, а также факт высвобождения Са²⁺ из мембранной системы при мышечном сокращении — все это свидетельствует о важной роли этого иона в явлениях, требующих участия мембран.

Таковы немногие более или менее ясные примеры из этой обширной области клеточной биологии, которая еще требует изучения на молекулярном уровне.

Таблица 4. Приблизительный состав тела человека при весе 70 кг[4]

Как, однако, обстоит дело с ультра микроэлементами? Какую мыслимую роль может играть элемент, присутствующий в концентрации 10ˉ ⁸ М? Ответ оказался весьма простым и ясным. Например, содержание основных элементов в теле человека, таких, как ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, медь, селен, молибден, олово, йод находится в пределах между 3 и 100 мг на 70 кг веса. Возникает вопрос: могут ли столь незначительные количества выполнять биологические функции? Проще найти ответ, если выразить вес в молярных количествах (колонка 4. таблицы 4).

Величины этих показателей свидетельствуют, что тело человека содержит, по меньшей мере, 10¹⁹ ионов каждого из этих элементов. Если принять за факт, что в теле человека находится примерно 10¹⁴ клеток (эту цифру приводят многие учебники биологии) и что каждая клетка должна содержать от 10⁵до 10⁶ ионов этих элементов. Метаболически активные клетки будут содержать даже большее количество, тогда как в случае жиров, хрящей и костей — наблюдается противоположная картина. Таким образом, даже самые редкие из элементов способны оказывать физиологическое воздействие на каждую клетку организма.

Во всех детально изученных случаях эти ионы, как выяснилось, служат кофакторами определенных ферментов. Поскольку ферменты в силу их каталитической природы обычно требуются лишь в очень низких концентрациях, это должно быть справедливым и для их кофакторов. Небольшие количества микроэлементов нужны также для активации ферментов.

В таблице 5 приведено несколько ферментативных реакций, в которых кофакторами служат те или иные ионы металлов.

Таблица 5. Кофакторы ферментативных реакций

Некоторые ионы металлов блокируются определенными ингибиторами, и тогда они уже более не могут функционировать как кофакторы. В молекуле гемоглобина, например, присутствуют четыре атома железа, которые в норме связывают кислород. Однако цианид и окись углерода обладают способностью значительно сильнее связываться с этими атомами железа, и когда это происходит, гемоглобин утрачивает способность переносить кислород. Подобные ингибиторы представляют собой клеточные яды; даже в очень низких концентрациях они могут вызвать гибель клетки.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Гаммерман А. Ф., Кадаев Г. Н., Яценко-Хмелевский А. А. Лекарственные растения.- М.: Высш. шк., 1983.-400 с.
Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.
Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. Л.: Химия, 1991.
Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М.: Высш. шк., 1992.
Кукушкин Ю.Н. Химические элементы в организме человека; http: //www.alhimik.ru/kunst/man's_elem.html
Лазарев Н.В. Эволюция фармакологии. Л.: Изд-во Воен.-мед. акад., 1947.
Неорганическая биохимия. М.: Мир, 1978. Т. 1, 2 / Под ред. Г. Эйхгорна.
Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О. Бокриса. М.: Химия, 1982.
Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию. Киев: Наук. думка, 1973.
Ginter E., Chorvatovicova D. Metabolism, physiological role and toxicity of chromium//Ceskosl. physiol.- 1987.- Vol. 36.- № 6.- P. 551-559.
Kaim W., Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life. Chichester: John Wile and Sons, 1994. 401 p.
Roman J., Kutsky Ph. D. Handbook of vitamins, minerals and hormones.- N.Y. etc.: Van Nostrand: Reinhold, 1981.- 492 p.