РОЛЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

Химические элементы распространены в окружающей среде очень неравномерно. Обращает на себя внимание огромное содер­жание таких микроэлементов (по отношению к человеческому организму) как Si, Al, Fe, Zr, Mn, Zn, а также макроэлементов К, Ca в земной коре (верхней литосфере) и их небольшие концентра­ции в пресной, морской воде и атмосфере. Однако в биосфере про­исходит накопление многих из этих элементов, их концентриро­вание, что свидетельствует о высокой потребности в них живых организмов для осуществления процессов жизнедеятельности.

В биосфере концентрируются такие химические элементы, как О, К, S, С, Р, Cl, N, Sn, As, относительно высоко содержание Са, В, Zn, Ba, Sr, Rb, Cu, Pb.

В связи с различными средами обитания существенно разли­чаются концентрации химических элементов в морских и назем­ных растениях и животных.

Так, в «дарах моря» растительного и животного происхожде­ния сконцентрированы такие элементы, как Са, К, Na, Mg, S, Cl, 0, Zn, Cu, Mn, Fe, J, Ni, Ti, Sr, Zn, Cr, Li, B, Li.

Предоставляемые человеку на суше «дары природы», в целом менее богаты макро- и микроэлементами, однако следует выде­лить N, С, F, а также Мn и Аl, содержание которых в наземных растениях выше, чем в морских в 10 раз.

Наземные растения являются основным источником такого важного микроэлемента, как Мn, а морские - Са, Fe, Zn, Si, Li и J.

Представители наземной фауны служат основным резервом для обеспечения человека Р, N, H, т. е. макроэлементами и чрез­вычайно бедны Сг, V, Мn, элементами, принимающими активное участие в регуляции углеводного и жирового обмена, толерантно­сти к глюкозе.

В свою очередь, представители морской фауны накапливают в себе повышенные количества Zn, Со, Сu.

В основном химические элементы поступают в организм человека с пищевой водой и пищей. Исключение со­ставляет только Si, большие количества которого могут попадать в организм ингаляционным путем в виде пыли, песка, или в виде различных соединений этого элемента.

Пищевые цепи химических элементов:

- МЭ почвы—растения—корма и пищевые растительные вещества—организмы человека и животных;

- МЭ воздуха –организмы животных и человека;

- МЭ воды--растения—корма и пищевые растительные вещества—организмы человека и животных;

- МЭ воды-- МЭ воздуха –организмы животных и человека;

- МЭ воды—животные, промежуточные звенья—корма и пищевые вещества животного происхождения—организмы животных и человека;

- МЭ почвы-- МЭ воды------------

- МЭ почвы-- МЭ воздуха –организмы животных и человека

 

Пути поступления химических элементов в организм челове­ка разнообразны. Основные количества химических элементов попадают в организм с пищей и питьевой водой, меньшие - с вды­хаемым воздухом и через кожу. В случаях длительного лечения препаратами, содержащими макро- или микроэлементы, основ­ным путем поступления могут становиться фармакологические средства и биологически активные добавки к пище, вводимые в организм энтеральным или парентеральным путем. В результате неконтролируемого приема подобных препаратов, у части людей могут возникать так называемые «ятрогенные» (вызванные лече­нием) микроэлементозы. На рисунке 2 представлена схема обмена микроэлементов в орга­низме человека.[2] Как следует из этой схемы, обмен химических элементов зависит от их поступления из окружающей среды, а также взаимодействия внутри организма, особенностей нейроэндокринной регуляции и выведения из организма.

Рисунок 2. Схема обмена микроэлементов в орга­низме человека

 

Попав в организм человека, химические элементы распреде­ляются между органами и тканями, избирательно накапливаясь в них. Макро- и микроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Самые большие концентра­ции химических элементов можно обнаружить в костной ткани, коже и ее придатках, печени и мышцах. Концентрация того или иного химического элемента в определенной части тела (депо), как правило, отражает его значимость для функционирования органа или ткани.

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 10⁵ до 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.

 

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: