Реферат: Минеральный состав организма

ПВИ ВВ МВД РФ

Кафедра общенаучных дисциплин

Курсовая работа по химии

Тема: Минеральный состав организма

Выполнил:

Подполковник в отставке Овечкин АлександрВасильевич

Научный руководитель:

 доцент Пустовик Лариса Вадимовна.

Дата защиты «____» ___________ 2003 г.

                                Оценка     _____

                                                   _____

(подписьнауч. руков.)

Пермь – 2003 г.

Содержание

ВступлениеОрганизм (органы, ткани клетки, межклеточное вещество),отличие от неживой природы. Понятие об обмене веществ. Минеральный обмен.

 

Основная частьБиогенная классификация химических элементов. Некоторыехарактеристики минеральных элементов организма.

 

ЗаключениеКак обеспечить оптимальную концентрацию минеральных веществв организме.

 

Литература

Вступление

Вопрос о«минеральном составе» человека и, соответственно, потребностях его организмаочень сложный, относящийся к числу фундаментальных и даже философских.

Организм (от лат.organizo — устраиваю, сообщаю стройный вид), живое существо, обладающеесовокупностью свойств, отличающих его от неживой материи. Большинствоорганизмов имеет клеточное строение. Формирование целостного организма —процесс, состоящий из дифференцировки структур (органов, тканей, клеток имежклеточного вещества) и функций и их интеграции как в онто-, так и вфилогенезе.

Ткани, в биологии —системы клеток, сходных по происхождению, строению и функциям. В состав тканей входят также тканевая жидкостьи продукты жизнедеятельности клеток. Ткани животных — эпителиальная, все видысоединительной, мышечная и нервная; ткани растений — образовательная, основная,защитная и проводящая.

 

Примеры тканейорганизма

Клетка, элементарнаяживая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений.Клетки существуют как самостоятельные организмы (напр., простейшие, бактерии) ив составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащиедля размножения, и клетки тела (соматические), различные по строению и функциям(напр., нервные, костные, мышечные, секреторные). Размеры клетки варьируют впределах от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса вскорлупе).

У человека в организменоворожденного ок. 2·1012. Вкаждой клетке />различают 2 основные части: ядро ицитоплазму, в которой находятся органоиды и включения. Клетки растений, какправило, покрыты твердой оболочкой. Наука о клетке — цитология.

Схема строенияживотной клетки

Химический состав клетки. Обычно 70–80 % массы клетки составляетвода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения.Наиболее характерные компоненты клетки – белки и нуклеиновые кислоты. Некоторыебелки являются структурными компонентами клетки, другие – ферментами, т.е.катализаторами, определяющими скорость и направление протекающих в клеткаххимических реакций. Нуклеиновые кислоты служат носителями наследственнойинформации, которая реализуется в процессе внутриклеточного синтеза белков.

Описать типичный составклетки не представляется возможным прежде всего потому, что существуют большиеразличия в количестве запасаемых продуктов и воды. В клетках печени содержится,например, 70% воды, 17% белков, 5% жиров, 2% углеводов и 0,1% нуклеиновыхкислот; оставшиеся 6% приходятся на соли и низкомолекулярные органическиесоединения, в частности аминокислоты. Кровь, лимфа и тканевая жидкость образуютвнутреннюю среду организма, омывающую все клетки и ткани тела. Внутренняя средаимеет относительное постоянство состава и физико-химических свойств, что создаетприблизительно одинаковые условия существования клеток организма (гомеостаз).Кровь — это особая жидкая ткань организма. Кровь обеспечивает все клеткиорганизма питательными веществами: глюкозой, аминокислотами, жирами,витаминами, минеральными веществами, водой.

Обмен веществ(метаболизм), совокупность всех химических изменений и всех видов превращенийвеществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность исамовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию кизменениям внешних условий. Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные процессыанаболизма и катаболизма, направленные на непрерывное обновление живого материалаи обеспечение его необходимой энергией. Анаболические и катаболические процессыосуществляются путем последовательных химических реакций с участием ферментов.Для каждого вида организмов характерен особый, генетически закрепленный типобмена веществ, зависящий от условий его существования. Интенсивность инаправленность обмена веществ в клетке обеспечивается путем сложной регуляциисинтеза и активности ферментов, а также в результате изменения проницаемостибиологических мембран. В организме человека и животных имеет место гормональнаярегуляция обмена веществ, координируемая центральной нервной системой. Любоезаболевание сопровождается нарушениями обмена веществ; генетически обусловленныенарушения обмена веществ служат причиной многих наследственных болезней.

Минеральные вещества, наряду сбелками, углеводами и витаминами, являются необходимыми элементами питаниячеловека. Они способствуют химическому построению тканевых структур ипротеканию биохимических и физиологических процессов, лежащих в основежизнедеятельности организма. Кроме того, минеральные вещества входят в состав илиактивизируют действие ферментов, гормонов, витаминов и участвуют в обменевеществ. Каждый химический элемент выполняет определенную функцию. Когда организмунедостает какого-либо вещества, человек испытывает недомогание, болеет, теряемоптимизм и веру в себя, его кожа увядает, а волосы тускнеют. Этого можноизбежать, если восстановить минеральный баланс.

Основная часть

Биогенная классификация химических элементов

         Тело любого существующего на Землеорганизма, растительного или животного, состоит из вполне определенного наборахимических элементов, генетически строго контролируемого и передаваемого в техже соотношениях из поколения в поколение.      Минеральный состав современныхорганизмов складывался под воздействием двух процессов. С одной стороны, это эволюциясостава гидро- и литосферы, характеризующаяся постоянным сдвигом соотношенияхимических элементов из-за выщелачивания, вулканической деятельности. С другойстороны, это «необходимое» для организма генетическое контролированиеуже имеющихся внутри него на том или ином этапе соотношений, ведь, по словамзнаменитого К. Бернара, «постоянство внутренней среды — необходимое условиесвободной жизни организма». История взаимоотношений среда — организмисполнена драматизма. Лишь изучив прошлое организмов, их эволюцию и адаптацию кменяющейся геохимической среде обитания, вымирание и расцвет отдельных видов,родов и семейств растений и животных, мы сможем грамотно ориентироваться в настоящем,решать актуальные проблемы медицины, экологии и проблемы, сопряженные с ними.

С этих позиций была поставлена задача созданияестественной классификации химических элементов, которая может быть решена настыке эволюционной геологии, генетики и медицины.

         Но как ни замечательна таблицаМенделеева с точки зрения физиков и химиков, биологам ее недостаточно. Ведьместо, занимаемое в ней каким-либо элементом, еще не определяет место этогоэлемента в живом организме. В настоящее время наблюдается неимоверная путаницав делении элементов по их отношению к живым организмам — на биогенные иабиогенные, на макро-, микро- и, а теперь уже и ультрамикроэлементы, наятрогенные (т.е. вроде бы и нужные, но вредящие), эссенциальные (жизненноважные) и условно эссенциальные, на токсичные и условно токсичные. Эту путаницуусугубляет антропоцентризм, поскольку полезность, нейтральность или«вредность» того или иного элемента для человека отнюдь не означаеттаковых свойств для других представителей животного мира или для представителеймира растительного.

         Все перечисленные выше классификации посути своей искусственны. В самом деле, само деление биогенных элементов намакро- и  микроэлементы напоминает попытку подразделить всех животных на«больших» (бегемот, кит, акула...) и «маленьких» (мышь,колибри, кузнечик...). Так, железо в животном организме до сравнительнонедавнего времени относили к макроэлементам, но, убедившись в том, что свыше90% его связано с гемоглобином, «перевели» его в микроэлементы.

         Более того, всех химических элементов вприроде чуть больше ста, из них стабильных — всего 92. Из списка потенциальныхпретендентов на роль жизненно необходимых элементов можно исключить заведомо неучаствующие в метаболизме инертные газы и классические «тяжелыеметаллы». Этот список становится совсем коротким. Тем не менее, несмотряна огромное количество исследований, посвященных функциям отдельных химическихэлементов в животном организме, вопрос о том, какие из 81 в нем обнаруживаемогоэлемента (согласно данным пламенной фотометрии) действительно жизненно необходимы,а какие присутствуют случайно, за счет попадания с пищей, водой и воздухом илипо крайней мере могут без ущерба для организма замещаться в метаболических цепях,остается открытым. Общее число элементов, определяемых как жизненно важные,варьирует у разных авторов в весьма широких пределах. Например, один изклассиков биохимии А. Ленинджер полагает, что таковых лишь 22 (табл.1), да ито, с его точки зрения, только 16 из них (выделенные в таблице курсивом) встречаютсяво всех классах организмов.

Таблица 1 Жизненно важныеэлементы, входящие в состав организмов
(по А. Ленинджеру)

Элементы, входящие в состав органических веществ

Одноатомные
ионы

Элементы, обнаруживаемые
в следовых количествах

Кислород

Натрий

Марганец

Алюминий

Углерод

Калий

Железо

Ванадий

Азот

Магний

Кобальт

Молибден

Водород

Кальций

Медь

Йод

Фосфор

Хлор

Цинк

Кремний

Сера

- Бор -

Согласно классификации П.Аггетта, к четырем органогенам (кислород, углерод, водород и азот) и семимакроэлементам (фосфор, сера, натрий, калий, магний, кальций, хлор) какважнейшим эссенциальным элементам следует добавить еще девять: железо, медь,цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт. Всего жизненно важныхэлементов — 20.

Один из выдающихсяспециалистов по микроэлементам В.Мерц, предлагает к 11 органогенам и макроэлементам(о количественном и качественной составе этой группы, по сути, никто не спорит)добавить следующие элементы, избыток или дефицит которых имеет значение дляздоровья человека: железо, медь, цинк, хром, селен, молибден, йод, кадмий,свинец и ртуть. Таким образом, всего получается 21, но состав группыдругой.

Согласно более широкойтрактовке, предлагаемой Анке, к эссенциальным микроэлементам наряду с«классическими» эссенциальными элементами Аггетта (см. выше) следуетотнести «новые» эссенциальные: фтор, кремний, олово, ванадий,никель, мышьяк, кадмий, литий, свинец. Всего их будет 29.

Все эти разночтенияотносительно количества, свойств и участия различных химических элементов вметаболизме животных организмов связаны, как мне представляется, в первую очередьс отсутствием системного подхода. Здесь можно лишь повторить, что необходимосоздать естественную классификацию химических элементов, — это способствовалобы наряду с прочим устранению подобных противоречий.

К органогенам традиционнопричисляют, учитывая их общее содержание в живом веществе (98,72 ат%), четыреэлемента: кислород, углерод, водород и азот, — именно в даннойпоследовательности исходя из их весовых отношений (т.е. г/т). Более правильнымбудет, однако, их расположение в такой последовательности: водород, кислород,углерод, азот, — поскольку биология оперирует соотношениями атомов вживом веществе.

Таблица2 Содержание некоторых химических элементов в растительных и животныхорганизмах, моль/т

(перерасчетена количество молей на тонну сухого органического вещества)

Элемент Наземные растения Наземные животные Водород 55000 70000 Углерод 37833 38750 Кислород 25625 11625 Азот 2143 7143 Кальций 450 5-212,5 Калий 360 190 Магний 132 41 Сера 106 156 Фосфор 74 548-1420 Хлор 57 79 Натрий 52 174 Кремний 7-179 4-214 Алюминий 19 0,15-3,70 Марганец 11,45 0,004 Бор 4,63 0,046 Железо 2,5 2,9 Цинк 1,53 2,45 Стронций 0,3 0,16 Рубидий 0,23 0,20 Медь 0,22 0,04 Барий 0,1 0,005 Никель 0,051 0,014 Ванадий 0,03 0,003 Фтор 0,026-2,105 7,9-26,3 Титан 0,02 0,004 Литий 0,014 0,003 Свинец 0,013 0,01 Кобальт 0,008 0,0005 Цирконий 0,007 0,003 Хром 0,0044 0,0014 Галлий 0,0008 0,00008

Действительно, из первыхчетырех элементов можно построить целый ряд органических молекул, таких какпростые углеводороды, альдегиды, спирты, и некоторые аминокислоты. АкадемикА.И. Опарин показал это в модельных экспериментах, воспроизводящих природныеусловия, предположительно существовавшие около 3 млрд. лет назад. Эти жеэлементы являются каркасом любой органической молекулы.

Причина того, что этичетыре элемента так идеально подходят к выполнению биологических функций,заключается в том, что все они легко образуют ковалентные связи посредствомспаривания электронов. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешниеэлектронные оболочки и образовать таким образом стабильные ковалентные связи,водороду требуется один электрон, кислороду — два, азоту — три, и углероду — четыреэлектрона. Эти четыре элемента могут легко реагировать друг с другом, заполняясвои внешние электронные оболочки. Помимо этого, три из них — углерод, азот икислород — образуют и одинарные и двойные связи, благодаря чему могутобразовывать самые разнообразные химические соединения. Наконец, средиэлементов, способных образовывать ковалентные связи, они самые легкие,и, так как прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весамсвязанных с ее помощью атомов, возможно, что живые организмы «выбрали»именно эти элементы из-за их способности формировать прочные ковалентные связи.

Очень важна способностьатомов углерода взаимодействовать друг с другом, образуя стабильныеуглерод-углеродные связи, что и обеспечивает углеводородные каркасы разнообразныхмолекул. Соединениям углерода свойственна еще одна отличительная особенность,которая состоит в способности спаренных электронов образовывать вокруг каждогоатома углерода тетраэдрическую конфигурацию, благодаря чему различные типыорганических молекул обладают различной трехмерной структурой. Никакой другойхимический элемент, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы состоль разнообразными конфигурациями и размерами и с таким многообразиемфункциональных групп.

Следует обратить вниманиевот на какой аспект. Большинство исследователей, занимающихся химизмомчеловеческого тела, сравнивают его минеральный состав с минеральным составомсовременной суши, тогда как 90% эволюции живых организмов прошло в океане. Втаблице 3 сравнивается минеральный состав современного океана с минеральнымсоставом крови некоторых животных. В этой таблице приводятся данные, полученныеразными исследователями. Очевидно, на основании этих данных можно судить о том,как происходило формирование системы натрий-калиевого насоса в живых клетках.

Таблица3 Концентрация катионов в морской воде и жидкостях организмов некоторыхмлекопитающих и птиц, ммоль/кг

Животное Ткань Концентрация элемента Na K Ca Mg Отношение Na:K - Морская вода 460 10 11 55 46:1 Человек Сыворотка 143,0 5,0 5,0 2,2 28,6:1 Крыса Плазма 145,0 5,3 3,1 1,6 27,3:1 Собака Сыворотка 150,5 5,3 5,3 3,7 28,4:1

В сыворотке кровиживотных соотношение натрия и калия достаточно стабильно и составляетприблизительно 26-28:1. В современном же океане это соотношение равняетсяпримерно 46:1.

Отсюда можно сделатьвывод, что соотношение 26-28:1 было в океане в момент возникновениямногоклеточных форм жизни.

Второй оригинальный выводкасается того, почему в животном мире возник феномен солеедения (потребленияхлористого натрия). Дело в том, что в момент дивергенции гетеротрофных клетокна растительные и животные у растительных клеток натрий-калиевый насоссменяется водородной помпой. Другими словами, система натрий — калий, обеспечивающаянаряду с прочим проводимость клеточной мембраны, сменяется системой водород — калий. Как следствие (обратимся к табл. 1, в которой приводятся данные о содержании,в частности, этих двух элементов у растительных и животных форм) соотношениекалия и натрия равняется 1:1 у животных организмов и 7:1 у организмов растительных(!). Вот почему самыми убежденными солеедами являются травоядные (коровы, овцы,лоси, олени), умеренными солеедами — всеядные животные, употребляющие какрастительную, так и животную пищу (медведи, свиньи, обезьяны, человек), ахищники соль в пищу не употребляют, поскольку добывают эти два элемента воптимальном соотношении (приблизительно 1:1) из тела жертвы.

Наконец, о человеке.Биогенетический закон Геккеля гласит, что онтогенез есть краткое повторениефилогенеза. Другими словами, каждый живой организм повторяет изменениями своихчерт все эволюционные изменения своих предков. Так вот, в многочисленныхисследованиях показано, что наибольшая концентрация кремния имеет место взародышах человеческого организма, а к моменту рождения она постепенноснижается. И от рождения до старости у человека соотношение кремния и кальцияво всех тканях организма, особенно в соединительных, изменяется в пользукальция. Высокая же концентрация кальция является причиной многих«болезней цивилизации», — хрупкость костей, разрыв связок и т.д.

Таким образом, под общимназванием «макроэлементы» можно объединить рассматриваемые в этойглаве шесть — калий, натрий, кальций, магний, хлор, кремний. Они составляютвторую группу.

Чтобы надежно вычленитьэссенциальные микроэлементы для высших животных, и в первую очередь длячеловека, необходимо обратить внимание на те случаи, когда дефицит в организметого или иного элемента достоверно определяет какое-либо патологическоенарушение в организме. К эссенциальным элементам, удовлетворяющим условию: идефицит, и избыток данного элемента приводят к патологическим отклонениям в организме- можно отнести железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт,фтор. Эти десять элементов, биологическая значимость которых в организме высшихмлекопитающих, и в том числе человека, на сегодняшний день твердо установлена,следует объединить в третью группу — эссенциальных микроэлементов.

Существует еще рядмикроэлементов, которые в микроколичествах, но стабильно присутствуют вчеловеческом организме. К этой группе биогенных элементов относятся следующие: мышьяк,бор, бром, литий, никель, ванадий, кадмий, свинец. Их можно объединить вчетвертую группу под общим названием «условно эссенциальные микроэлементы».

Брэйн-элементы

Имеется целая группаэлементов с неизведанными функциями. С достаточно большой степенью осторожностиможно говорить об их взаимосвязи с интеллектуальными возможностями человека.

Прежде всего, обращает насебя внимание их относительно высокая концентрация в головном мозге человека,органе, который является одним из наиболее оберегаемых в организме. Так,необъяснимо относительно высокое содержание в головном мозге золота (2,54мкмоль/кг сухой массы), таллия (2,44 мкмоль/кг, тогда как в других органах — неболее 1,96 мкмоль/кг), олова (16 мкмоль/кг, что на порядок превышает егосодержание в других органах) и некоторых других элементов. Вообще, вмикроэлементном отношении мозг человека в чем-то сродни компьютеру.

Полученные рядомисследователей данные указывают на то, что химический состав волос у людей,резко отличающихся друг от друга по интеллектуальному потенциалу, достоверноразличен по содержанию некоторых микроэлементов. В частности, при исследованиидетей одного из районов Новосибирской области с общим диагнозом «умственнаяотсталость», было установлено, что у больных детей в волосах достоверно повышенаконцентрация марганца, ванадия и никеля и понижена концентрация галлия. Геохимическийрайон проживания всех детей один и тот же, так что в этом смысле ошибкаисключена.

Все эти элементы можнообъединить в пятую группу элементов под общим названием«брэйн-элементы».

Элементы нейтральные иагрессивные

Думается, само понятие«токсичные элементы» архаично и не имеет права на существование. Вприведенном в предыдущих разделах делении биогенных элементов на пять группэтому понятию не нашлось места, и я сознательно его не употреблял. Действительно,избыток любого химического элемента (будь то сера, железо, цинк илизолото) в человеческом организме приводит к патологии. Это касается элементоввсех групп, даже первоэлементов. Печально известная синильная кислота имеетформулу HCN, т.е. представляет собой соединение трех органогенов.Следовательно, речь можно вести только о токсичной концентрации либо отоксичных соединениях того или иного элемента.

Все абиогенные элементыможно три группы.

 К первой из них можноотнести так называемые элементы-нейтралы типа алюминия, титана и рубидия,относительно высокие концентрации которых организм переносит достаточнобезболезненно.

Техногенные, к которымотносятся в первую очередь тяжелые металлы, такие, как ртуть, висмут, осмий ит.п Такие элементы можно отнести ко второй группе абиогенных элементов,определив их как агрессивные.

Третья подгруппаэлементов из числа абиогенных. Это так называемые элементы-конкуренты — барий, стронцийи др. После выхода организмов на сушу и замены этих элементов более легким иреакционноспособным кальцием они стали конкурировать с ним за место вметаболизме организмов. Отсюда вызывающая хрупкость кости и недоразвитиескелета болезнь Урова (замещение кальция на стронций в скелетах людей) в некоторыхэндемичных районах Сибири и, по всей видимости, возникновение ряда минеральныхновообразований в человеческом организме типа уролитиаза и атеросклероза.

Таблица 4 Биогеннаяклассификация химических элементов

Тип Группа Название Примечание Первоэлементы Водород, углерод, кислород, азот Каркасные элементы органических молекул, возникших еще в докембрии. Составляющие большинства аминокислот Фосфор, сера Непременные участники белковых молекул, ДНК и РНК. Создатели первичной, доклеточной жизни

Биогенные

Макроэлементы Калий, натрий, кальций, магний, хлор, кремний. Элементы буферной системы первых одноклеточных организмов и клеточного потенциала. Первые элементы скелетного аппарата простейших организмов Эссенциальные микроэлементы Железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт, фтор. Включились в метаболизм с возникновением кровеносной системы. Участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Составляющие коферментов организма Условно эссенциальные микроэлементы Мышьяк, бром, литий, никель, ванадий, кадмий, свинец. Узкоспециализированная группа элементов, «работающая» не у всех видов организмов. Некоторые входят в состав коферментов Брэйн-элементы (Золото, олово, таллий, теллур, германий, галлий) Предположительно, участвуют в проводимости импульсов головного мозга млекопитающих. Очевидно, включились в метаболизм в четвертичном периоде

Абиогенные

Нейтральные Алюминий, титан, рубидий Не заняли своего места в метаболизме животных из-за слабой реакционной способности, несмотря на широкую распространенность в литосфере Конкуренты Барий, стронций, цезий Участвовали в метаболизме морских форм организмов, что и определило их дальнейшую конкуренцию в метаболизме сухопутных видов (ведущую к патологии) Агрессивные Ртуть, бериллий, осмий, висмут Элементы поздней вулканической деятельности. В связи с тем, что не нашли места в метаболизме организмов, вредны в малых дозах

Классификацию элементов,представленную в этой таблице, можно считать естественной, поскольку в ееоснове лежит достаточно логичный и последовательный эволюционный принцип. Всеэлементы Периодической таблицы Менделеева подразделены на два типа: биогенные,т.е. участвующие в метаболизме живых форм, и абиогенные, т.е. все остальные.Биогенные элементы, в свою очередь, подразделены на пять групп, причем ихиерархия от момента включения в метаболизм организмов на ранних этапах развитияживой материи до четвертичного периода в целом соответствует распространенностив живых организмах. Ясно, например, что

— первоэлементы являютсясквозными для всех форм жизни на Земле, т.е. присущи всем формамжизни;

— макроэлементы — сквозными для всех животных организмов;

— эссенциальныемикроэлементы — сквозными для всех млекопитающих;

— условно эссенциальные — сквозными для отдельных семейств млекопитающих.

— брэйн-элементы — сквозными для высших млекопитающих и человека.

Абиогенные элементыподразделены на три группы, по отношению к живым организмам. Исчерпывающаямотивировка такого деления приведена в тексте.

Самое главное, как мнекажется, то, что настоящая таблица функциональна. Она является одной из первыхпопыток подобного рода классификации, если не первой такой попыткой, и,несмотря на все свое несовершенство и предварительный характер, может оказатьсяполезной в различных областях естественных наук, включающих теорию эволюции,генетику, медицину.

Некоторыехарактеристики минеральных элементов

организма

Всего в организме обнаруживаетсясвыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева, 47 из них присутствуют постоянно иназываются биогенными. Минеральные вещества играют важную роль в поддержаниикислотно-основного равновесия, осмотического давления, системе свертываниякрови, регуляции многочисленных ферментных систем и пр., т.е. имеют решающеезначение в создании и поддержании гомеостаза.

По количественному содержанию ворганизме они делятся на макроэлементы, если их больше чем 0,01 % отмассы тела (К, Са, Мg, Na, P, Cl) и микроэлементы(Mn, Zn, Cr, Cu, Fe, Co, Al, Se). Основную часть минеральных веществ организма составляютхлористые, фосфорнокислые и углекислые соли натрия, кальция, калия, магния.Соли в жидкостях организма находятся в частично или полностью диссоциированномвиде, поэтому минеральные вещества присутствуют в виде ионов – катионов ианионов.  

Функции минеральных веществ: 

1)    пластическая (кальций,фосфор, магний);

2)    поддержание осмотического давления(калий, натрий, хлор);

3)    поддержание буферностибиологических жидкостей (фосфор, калий, натрий);

4)    поддержание коллоидныхсвойств тканей (все элементы);

5)    детоксикационная (железо всоставе цитохрома Р-450, сера в составе глутатиона);

6)    проведение нервного импульса(натрий, калий);

7)    участие в ферментативномкатализе в качестве кофактора или ингибитора;

8)    участие в гормональнойрегуляции (йод, цинк и кобальт входят в состав гормонов). 

Промежуточный и конечный обменминеральных веществ 

Поступают минеральные вещества ворганизм в свободном или связанном виде. Ионы всасываются уже в желудке,основная часть минеральных веществ – в кишечнике путем активного транспорта приучастии белков – переносчиков. Из желудочно-кишечного тракта поступают в кровьи лимфу, где связываются со специфическими транспортными белками. Выделяютсяминеральные вещества главным образом в виде солей и ионов.

С мочой: натрий, калий, кальций, магний,хлор, кобальт, йод, бром, фтор.

С калом: железо, кальций, медь, цинк,марганец, молибден, и тяжелые металлы.

 

Характеристика отдельныхэлементов 

Натрий – основной катион внеклеточногоотдела. Составляет 0.08 % от массы тела. Играет главную роль в поддержанииосмотического давления. При отсутствии или ограничении в поступлении натрия ворганизм его выделение с мочой почти полностью прекращается. Всасывается вверхнем отделе тонкого кишечника при участии белков-переносчиков и требуетзатраты АТФ. Суточная потребность варьирует в зависимости от  водно-солевогообеспечения организма. Депонируется в коже и мышцах. Кишечная потеря натрияпроисходит при диареях.

1)    участвует в возникновении иподдержании электрохимического потенциала на плазматических мембранах клеток;

2)    регулирует состояние водно-солевогообмена;

3)    участвует в регуляции работыферментов;

4)    компонент K+ — Na+ насоса.

Хлор – важнейший анион внеклеточногопространства. Составляет 0,06% от массы тела. Большая часть его содержится вжелудочном соке. Участвует в поддержании осмотического равновесия. Активируетамилазу и пептидазы. Всасывается в верхних отделах кишечника, выделяется восновном с мочой. Концентрация хлора и натрия обычно изменяютсяпараллельно.

Калий – составляет 0,25% от массы тела. Вовнеклеточном пространстве содержится только 2% от общего количества, аостальное — в клетках, где связан с углеводными соединениями. Всасывается напротяжении всего желудочно-кишечного тракта. Часть калия откладывается в печении коже, а остальная поступает в общий кровоток. Обмен очень быстро протекает вмышцах, кишечнике, почках и печени. В эритроцитах и нервных клетках болеемедленный обмен калия. Играет ведущую роль в возникновении и проведениинервного импульса. Необходим для синтеза белков (на 1г белка – 20 мг ионов калия),АТФ, гликогена, принимает участие в формировании потенциала покоя. Выделяется восновном с мочой и меньше с калом. 

Кальций – внеклеточный катион. Составляет1,9 % от массы тела. Содержание повышается в период роста или беременности.Функционирует как составная часть опорных тканей или мембран, участвует впроведении нервного импульса и инициации мышечного сокращения, является однимиз факторов гемокоагуляции. Обеспечивает целостность мембран (влияет на проницаемость),т. к. способствует плотной упаковке мембранных белков. Кальций ограниченоучаствует в поддержании осмотического равновесия. Вместе с инсулином активируетпроникновение глюкозы в клетки. Всасывается в верхнем отделе кишечника. Степеньего усвоения зависит от рН среды (соли кальция в кислой среде нерастворимы).Жиры и фосфаты препятствуют всасыванию кальция. Для полного усвоения изкишечника необходимо наличие активной формы витамина Д3.

Большая часть кальция содержится вкостной ткани (99%) в составе микрокристаллов карбонатапатита  3Са2(РО4)2· СаСО3 и гидроксилапатита3Са2(РО4)2 · СаОН. Общий кальций крови включает три фракции: белоксвязанный,ионизированный и неионозированный (который находится в составе цитрата, фосфатаи сульфата). 

Магний – составляет 0.05% от массы тела. Вклетках его содержится в 10 раз больше, чем во внеклеточной жидкости. Многогомагния в мышечной и костной ткани, также в нервной и печеночной. Образуеткомплексы с АТФ, цитратом, рядом белков.

1)    входит в состав почти 300ферментов;

2)    комплексы магния с фосфолипидамиснижают текучесть клеточных мембран;

3)    участвует в поддержаниинормальной температуры тела;

4)    участвует в работенервно-мышечного аппарата. 

Неорганический фосфор — содержится преимущественно вкостной ткани. Составляет 1% от массы тела. В плазме крови при физиологическихрН фосфор на 80 % представлен двухвалентным и на 20 % одновалентным аниономфосфорной кислоты. Фосфор входит в состав коферментов, нуклеиновых кислот,фосфопротеинов, фосфолипидов. Вместе с кальцием фосфор образует апатиты –основу костной ткани. 

Медь входит в состав многих ферментов ибиологически активных металлопротеинов. Участвует в синтезе коллагена иэластина. Является компонентом цитохрома с электронтранспортнойцепи. 

Сера – составляет 0.08%. Поступает ворганизм в связанном виде в составе АК и сульфат-ионов. Входит в состав желчныхкислот и гормонов. В составе глутатиона участвует в биотрансформацииядов. 

Железо входит в состав железосодержащихбелков и гема гемоглобина, цитохромов, пероксидаз.  

Цинк – является кофактором рядаферментов. 

Кобальт входит в состав витамина В12. 

 

Обмен воды и электролитов

Водно-электролитный обмен этосовокупность процессов поступления, />всасывания, распределения и выделенияиз организма воды и электролитов. Он обеспечивает постоянство ионного состава,кислотно-основного равновесия и объема жидкостей внутренней среды организма. Ведущуюроль в нем играет вода.

Вода –главный составной элемент минеральнойприроды организма.

Функции воды: 

1)    внутренняя среда организма;

2)    структурная;

3)    всасывание и транспортвеществ;

4)    участие в биохимическихреакциях (гидролиз, диссоциация, гидратация, дегидратация);

5)    конечный продукт обмена;

6)    выделение при участии почекконечных продуктов обмена.

Содержание воды в организме варьируетв зависимости от органов и тканей. Мозг – 70-84%, почки – 82%, сердце и легкие – 79%, мышцы – 76%, кожа– 72%, печень – 70%, костная ткань – 10%.

Вода, которая поступает алиментарным(с пищей) путем называется экзогенной, а образовавшаяся в качестве продуктабиохимических превращений – эндогенной.

Строениемолекул воды и их ассоциаты

Молекула воды(1H216O) состоит из двух атомов водорода (1H)и одного />атома кислорода (16O).Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность ихпроявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов,способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.

В отдельнорассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположенытак, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его — сравнительнокрупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, — по одному ядруводорода…

Всоответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула водырасполагает пятью электронными парами. Они образуют электронное облако. Облаконеоднородно — в нем можно различить отдельные сгущения и разрежения. У кислородногоядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная паракислорода равномерно обрамляет ядро: схематически она представлена окружностьюс центром — ядром O2-. Четыре внешних электрона группируются в двеэлектронные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные.Схематически суммарные электронные орбитали этих пар показаны в виде эллипсов,вытянутых от общего центра — ядра O2-. Каждый из оставшихся двухэлектронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти пары такжетяготеют к кислородному ядру. Поэтому водородные ядра — протоны — оказываютсянесколько оголенными, и здесь наблюдается недостаток электронной плотности.

Такимобразом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных(избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных(недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большейнаглядности можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра,в центре которого находится ядро кислорода.

Каждаямолекула воды является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом. Подвоздействием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярныесилы на поверхности погруженного в нее вещества. Во многом благодаря этому,вода проявляет себя как универсальный растворитель. Ее растворяющему действию втой или иной мере подвластны и твердые тела, и жидкости, и газы.

Постоянносоприкасаясь со всевозможными веществами, вода фактически всегда представляетсобой раствор различного, зачастую очень сложного состава.

Полярностьмолекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядовпорождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества»- ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н2O лишьвода, находящаяся в парообразном состоянии.   

Непосредственнойпричиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают междуядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядеркислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем«стандартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточнообычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловыхколебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение ираспад ассоциатов можно выразить схемой:
x * H2O? (H2O)x

Посколькуэлектронные орбитали в каждой молекуле воды образуют тетраэдрическую структуру,водородные связи могут упорядочить расположение молекул воды в видететраэдрических координированных ассоциатов.

Возможны идругие модели водной структуры. Тетраэдрически связанные молекулы воды образуютсвоеобразные рои довольно стабильного состава. Пространства между роямизаполняют мономерные молекулы воды.

Исследователираскрывают все более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации»водной массы. Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерныекаркасы, а в линейные кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют ещеболее сложные комплексы ассоциатов.

Изучение структуры жидкой воды еще незакончено; оно дает все новые факты, углубляя и усложняя наши представления обокружающем мире. Развитие этих представлений помогает нам понять многиеаномальные свойства воды и особенности взаимодействия ее, как растворителя, сдругими веществами.

 Сводой мы получаем до 25% суточной потребности химических веществ". Причемэта цифра кочует по разным изданиям. Тем не менее, в разговорах специалистов входу больше цифра 6-8% со ссылкой на ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения). Наиболее достоверные данные сведены в таблицу. Объяснение содержимого ееколонок:

Для начала необходимоопределиться с несколькими исходными позициями:

1. Какие минеральныевещества и в каких количествах нужны человеку?

В качестве норм суточнойпотребности были использованы данные, приведенные в Популярной медицинскойэнциклопедии. Причем, за базовое мы брали минимальное значение для взрослогомужчины (Показатели приведены во 2-м столбце).

2. Каков минеральныйсостав «средней» воды?

Понятно, что никакой«средней» воды нет и быть не может, но можно ориентироваться наустановленые нормам российского СанПиН «Вода питьевая.

Таким образом, в качествепотребляемой принимается некая вода, в которой содержание основныхбио-элементов равно максимально допустимому с точки зрения безопасности дляздоровья (3-й столбец таблицы).

На основе этих данныхбыло вычислено, сколько воды надо употребить, чтобы набрать суточную норму покаждому элементу (4-й столбец таблицы). Огромным допущением здесь является то,что при расчетах усвояемость минералов из воды мы принимали за 100%, что далеконе соответствует действительности.

В сутки непосредственно ввиде жидкости (питья и жидкой пищи) человек употребляет 1,2 л воды.

 Именно эта цифра и леглав основу вычисления процента поступления с водой каждого элемента, которыйтеоретически  может получить в сутки среднестатистический человек. Цифраполучена путем деления 1,2 на соответствующую величину из 4-го столбца.

В итоге получаетсясредневзвешенный процент получения человеком макро- и микроэлементов, котороеможет обеспечить вода.

Расчет производитсяследующим образом:

800х15+1200х0,12+500х12+2000х0,72+5000х4,8+2000х15+1000х10+10х3,6+2х90+2х60+0,1х89

= 6,7067 (%)

800 + 1200 + 500 + 2000 + 5000 + 2000 + 1000 + 10 + 2 + 2 + 0,1

То есть, дажетеоретически, вода не может обеспечить поступление в организм более 6,7%минеральных веществ, необходимых человеку.

На практике, учитываяреальное содержание макро- и микроэлементов в воде, эта цифра может бытьуменьшена в 1,5 — 2 раза.

Можно утверждать толькоодин элемент — фтор, про который прямо указывается, что источником егопоступления в организм является вода. Про все остальные однозначно говориться,что их источником является пища.

Именно поэтому длясравнения  в 6-м столбце приводится мини-список альтернативных (пищевых)источников поступления в организм тех же элементов. В скобках указано содержаниесоответствующего элемента в данном продукте (1 мг% соответствует содержаниюэлемента в миллиграммах на 100 грамм продукта).

В 7-м столбце приведеноколичество того или иного продукта в граммах, употребление которого дасторганизму в сутки (с таким же допущением 100% усвояемости, что и для воды) тоже количество соответствующего макро- или микроэлемента, что и наша гипотетическаявода (см. выше п.2).

Приведенные данные ни вкоей мере не могут служить рекомендациями по питанию. Данная таблица призванатолько проиллюстрировать тот факт, что получить необходимые для организмамакро- и микроэлементы гораздо проще и самое главное реальнее из пищи, чем изводы.

Элемент

Суточная потребность

ПДК
в воде

Требуемое кол-во воды для получения 100% нормы

Теоретически возможный

% получения мин. веществ из воды

Альтернативный источник

Кол-во продук-та, обес-печи-вающее получе-ние био-элемен-тов, рав-ное пос-тупаю-щему с водой

1

2

3

4

5

6

7

Кальций 800 мг 100 мг/л 8,0 л 15 %

Сыр твердый (1005 мг%)
Брынза (550 мг%)
Петрушка зел. (245мг%)
Творог (160 мг%)
Курага (160 мг%)
Фасоль (150 мг%)
Молоко (120 мг%)

12 г
24 г
49 г
75 г
75 г
80 г
667 г

Фосфор 1200 мг

1.21) мг/л

1000 л 0,12%

Грибы сушеные (606 мг%)
Фасоль (540 мг%)
Сыр твердый (500 мг%)
Овсяная крупа (350 мг%)
Печень (320 мг%)
Рыба (250 мг%)
Говядина (188 мг%)
Хлеб ржаной (158 мг%)

24 г
36 г
29 г
41 г
45 г
58 г
77 г
91 г

Магний 500 мг 50 мг/л 10,0 л 12 %

Арбуз (224 мг%)
Орехи (200 мг%)
Гречневая крупа (200 мг%)
Овсяная крупа (116 мг%)
Горох (107 мг%)
Кукуруза (107 мг%)
Хлеб пшен.2 сорт(89 мг%)
Сыр твердый (50 мг%)

27 г
30 г
30 г
52 г
56 г
56 г
68 г
120 г

Калий 2000 мг 12 мг/л 166,67 л 0,72 %

Курага (1717 мг%)
Фасоль (1100 мг%)
Морская капуста (970 мг%)
Горох (873 мг%)
Арахис (732 мг%)
Картофель (568 мг%)
Редька (357 мг%)
Помидоры (290 мг%)
Свекла (288 мг%)
Яблоко (278 мг%)

0,86 г
1,31 г
1,44 г
1,66 г
1,87 г
2,53 г
4,03 г
4,97 г
5,00 г
5,18 г

Натрий 5000 мг 200 мг/л 25 л 4,8%

Соль пищевая (38710 мг%)
Сыр мягкий (1900 мг%)
Брынза овечья (1600 мг%)
Капуста кваш. (930 мг%)
Огурец сол. (900 мг%)
Хлеб ржаной (610 мг%)
Креветки (540 мг%)
Морская капуста 520
Камбала (200)

0,6 г
13 г
15 г
26 г
27 г
39 г
45 г
46 г
120 г

Хлор 2000 мг 250 мг/л 8 л 15 %

Соль пищевая (59690 мг%)
Хлеб ржаной (980 мг%)
Хлеб пшеничный (825 мг%)
Рыба (165 мг%)
Яйцо куриное (156мг%)
Молоко (110 мг%)
Печень говяжья (100 мг%) Простокваша (98 мг%)
Овсяная крупа (80 мг%)

0,5 г
31 г
36 г
182 г
192 г
273 г
300 г
306 г
375 г

Сера 1000 мг

83мг/л2)

12 л 10%

Печень говяжья (239 мг%)
Свинина (220мг%)
Яйцо куриное(176мг%)
Баранина (165 мг%)
Горох (190 мг%)
Фасоль (159 мг%)
Грецкий орех (100 мг%)
Гречка (88мг%)
Хлеб(59мг%)
Молоко коровье (29мг%)

42 г
45 г
57 г
61 г
53 г
63 г
100 г
114 г
170 г.
345 г

Железо 10 мг 0,3 мг/л 33,33 л 3,6%

Белый гриб суш. (35 мг%)
Печень свиная (20,2 мг%)
Горох (6,8 мг%)
Гречка (6,7 мг%)
Фасоль (5,9 мг%)
Язык говяжий (4,1 мг%) Шпинат (3,5 мг%)
Айва (3 мг%)
Абрикос (2 мг%)
Петрушка (1,9 мг%)

1,1 г
1,8 г
5,3 г
5,4 г
6,1 г
8,8 г
10,3 г
12 г
18 г
19 г

Фтор 2 мг 1,5 мг/л 1,33 л 90%

Скумбрия (1,4 мг%)
Минтай (0,7 мг%)
Орех грецкий (0,685 мг%)
Рыба морская (0,43 мг%)

129 г.
258 г
263 г
419 г

Медь 2 мг 1,0 мг/л 2 л 60%

Печень говяжья (3,8 мг%)
Печень свиная (3,0 мг%)
Горох (0,75 мг%)
Гречка (0,64 мг%)
Фасоль (0,48 мг%)
Геркулес (0,45 мг%)
Баранина (0,238 мг%)
Хлеб ржаной (0,22 мг%)

32 г
40 г
160 г
187 г
251 г
266 г
504 г
546 г

Йод 0,1 мг

0,0743)мг/л

1,35 л 89%

Морская капуста4) (1 мг%)
Печень трески (0,8 мг%)
Хек (0,16 мг%)
Минтай (0,15 мг%)
Путассу, треска(0,135 мг%)
Креветки (0,11 мг%)
Морская рыба (0,05 мг%)
Сердце говяжье (0,03 мг%)

8,9 г
11 г
56 г
60 г
66 г
81 г
178 г
296 г

Примечания:

1) в пересчете с фосфата для водоемов хозяйственно-питьевогоназначения (Постановление правительства Москвы от 24 ноября 1998 г. N 911)

2) В пересчете с сульфатов

3) Максимальное количество в речной воде

4) В зависимости от вида и сроков сборасодержание йода может составлять от 0,05 до 70 мг%.

Заключение

         Как же обеспечитьоптимальную концентрацию минеральных веществ?

         Прежде всего – вода.  Вода- основа всего живого, источник жизни, составляет более 70 % массы телавзрослого человека и требует к себе осторожного отношения. Она вымывает изклеток отработанные продукты обмена веществ, но если эта вода загрязнена, тоона является носителем смертельной опасности. Исследуя феномен долгожительства,ученые установили, что практически все люди, прожившие долгую жизнь, большуючасть её провели в одной местности и пользовались водой из одного источника, тоесть водой постоянного солевого состава. Идеально всю жизнь пить одну и ту жеводу, воду своих предков, запрограммированную в генах.

В развитых странах около 92%населения употребляют в пищу покупную очищенную воду своего региона спостоянным процентным содержанием кальция и магния и других важнейшихмикроэлементов. Именно по концентрации кальция, магния, йода и фтора сильно отличаютсядруг от друга продающиеся в магазинах нашего города питьевые воды, начиная отпочти дистиллированых, полученных по технологии обратного осмоса, и заканчиваяочень жесткими, взятыми практически без последующей обработки и очистки изразличных подземных источников. В то же время доказано, что уменьшение впитьевой воде магния — прямой путь к раку. Снижение процентного отношениякальция ведет к заболеваниям сердечно-сосудистой системы, способствуетзаболеваниям кариесом, уменьшает прочность конечностей. Еще сложнее обстоит сйодом и фтором. Кроме различий в содержании указанных микроэлементовиногородние воды, в том числе родниковые и колодезные воды на садовых участкахи дачах, имеют свои особенности химического, микробиологического иорганического состава, что требует от организма привыкания, а каждое привыкание- это далеко не полезное мероприятие для обмена веществ. В процессе очисткивода подвергается дозированному ультрафиолетовому облучению, специальноймагнитной обработке, искусственной и природной многослойной сорбентной очистке,многократной сверхтонкой механической фильтрации. Ультрафиолетовое излучениеубивает болезнетворные микроорганизмы. Воздействие магнитного поля на водуповышает её энергетический потенциал и ведет к уменьшению отложения солей.Омагниченная вода имеет повышенную биологическую активность и ускоряет ряд физико-химическихпроцессов. Наиболее практичным и эффективным средством уничтожения бактерий ивирусов является насыщение питьевой воды йонами серебра. Серебро убивает более650 микроорганизмов за 6 минут после попадания в желудок, при этом замечательнаего способность воздействовать только на болезнетворных микробов не трогая собственнуюбакофлору организма.

Второе, правильное, сбалансированноепитание, при недостатке витаминов, их пополнение в виде готовых форм. Название»витамины" происходит от латинского слова — «vita», что впереводе означает жизнь. Витамины нужны всем: и взрослым, и малышам. Онинеобходимы для нормаль­ного течения обменных процессов, а также для роста и обновлениятканей, они защищают организм от воздействия вредных факторов внешней среды.
Не менее важное значение для организма имеют минералы. Минералы — это«строительный материал», без которого невозможно нормальное физическоеи умственное развитие. Кроме того, их нехватка может привести к нарушениямспособности организма усваивать некоторые витамины. Именно поэтому очень важенправильный баланс вита­минов и минералов.
В современных условиях потребность в этих веществах существенно возрастает.Плохая экология, ослабление защитных сил организма, психоэмоциональноенапряжение, кото­рому, к сожалению, подвержены и дети и взрослые, все это являетсяпричиной развития гиповитами­нозов.
Обеспечить достаточное поступление витаминов и минералов в организм  пищей невсегда возможно. Во-первых, не все минералы усваиваются из продуктов на сто про­центов.К примеру, калий может усваиваться на 70-90%, цинк — на 10-30%, а железо всегона 7-10%. Это зависит от разных факторов, например, от индивидуальныхособенностей организма, продукта, способов его приготовления и методовхранения. Даже самые «вита­миносодержащие» продукты теряют своиполезные свойства в процессе приготовления. Так, например, жарение, а особенноприготовление в микроволновой печи отнюдь не до­бавляют продуктам полезныхкачеств.
         Чтобы обеспечить полноценное физическое, психическое и умственное состояние,рекомендуется регулярный прием витаминных и минеральных комплексов. Однако привыборе препарата необходимо всегда посоветоваться с врачом.

Литература

 

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А.Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Ленинджер А. Биохимия.Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

3. Пустовалова Л.М. Практикум побиохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.;

4. Хмельницкий Р. А. Физическая иколлоидная химия // М.: Высш. шк., 1988, 400 с.