Реферат: Учебно-методическое пособие для студентов естественных специальностей Павлодар

Министерство образования и науки Республики Казахстан


Павлодарский государственный университет

им. С. Торайгырова


А.П.Бондаренко, А.А.Калиева


Биогеохимический потенциал и здоровье

Учебно-методическое пособие для студентов естественных специальностей


Павлодар

УДК 550.47 (075.8)

ББК 28.080.3я73

Б81


Рекомендовано заседанием кафедры «Экология» Биолого_химического факультета ПГУ им. С. Торайгырова


Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор Базарбеков К.У.


Б81 Бондаренко А.П., Калиева А.А.

Биогеохимический потенциал и здоровье: учебно-методическое пособие. — Павлодар, 2008. — 125 с. — Ч.3.


В данном пособии первой из них мы обозначили проблему, кратко показаны значение различных концентраций химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева на здоровье человека.

Учебное пособие рекомендуется студентам естественных специальностей.


УДК 550.47 (075.8)

ББК 28.080.3я73


ÓБондаренко А.П., Калиева А.А. 2008

ÓПавлодарский государственный университет им С. Торайгырова, 2008

Введение

В предыдущих главах было рассмотрено происхождение химических элементов, их распространению в космических объектах и различных элементах биосферы, уделено внимание их химическим свойствам и влиянию на живые объекты. Третья часть посвящена действию химических элементов на здоровье человека. Рассматривается влияние недостатка или избытка поступления того или иного элемента в организм, способы реабилитации в случае негативного влияния химического элемента.

К сожалению, мы в недостаточной степени способны учитывать потоки большинства простых, но биологически важных, химических элементов в организме. Зачастую мы просто констатируем, что нарушен обмен веществ, однако далеки от полной картины, происходящего. Относительно простые химические элементы выполняют в организме различные функции, обеспечивая постоянство внутренней среды, в том числе – кислотно-щелочной баланс, осмотической давление, буферные функции, участвуют в работе многих ферментов, в процессах секреции, кровообразования, скелетообраз­ования. Без них были бы невозможны сокращения мышц, проведение нервного импульса, внутриклеточное дыхание и многие другие функции живого организма.

Здоровье человека напрямую зависит от свойств вмещающего ландшафта, его особенностей, способностью обеспечить организм необходимым: элементами структуры, энергией и условиями среды. Для нормальной жизнедеятельности человеку необходимо более 90 биологически активных веществ, в числе которых 8 незаменимых аминокислот, 16 витаминов, три полиненасыщенные жирные кислоты и около 60 минералов, которые должен включать в себя рацион питания.

Рассмотрение химических элементов в данном пособии соответствует их расположению в таблице периодической системы элементов Д. Менделеева. Вначале рассматриваются элементы, расположенные в главных подгруппах системы, а затем, в том же порядке, элементы побочных подгрупп.


^ 1 Химические элементы. Жизнь и здоровье

Важнейшее свойство сельскохозяйственной продукции -способность удовлетворять потребностям организма в энергии и элементах питания. В первую очередь это аминокислоты, особенно незаменимые, жирные кислоты, углеводы, витамины, макро, микро и ультрамикро элементы. Количественный и качественный состав белков и липидов определяются на уровне товарного производства, но содержание в продуктах сельскохозяйственного производства элементов минерального питания определяется только в условиях их общего дефицита. Биотехнологии, разрабатываемые в настоящее время, должны способствовать изменениям к подходу в этом вопросе.

Особенностью современных исследований в области биогеохимической экологии является их комплексный характер, направленный на решение экологических проблем, обусловленных преимущественно техногенными факторами. Наряду с этим проводятся исследования состояния природных объектов (почвы, воды, воздуха), естественно обогащенных различными химическими элементами и потому представляющих опасность для роста и развития растений, животных, человека. Их итогом стали биогеохимическое районирование территорий и выделение провинций с неблагоприятным содержанием (соотношением) химических элементов в звеньях пищевых цепочек, предложения по устранению или уменьшению негативного влияния природной обстановки на живые организмы.

Для каждого типа изверженных горных пород, для каждой осадочной формации характерно преимущественное содержание определенных элементов. даже в условиях однородного климата содержание элементов в почвах, водах и растительности будет различаться в зависимости от состава горных пород, распространенных в ландшафте.

Менее очевидна в ландшафте роль редких и рассеянных элементов, не образующих, как правило, собственных минералов и не выявляемых в организмах, почвах и водах обычными химическими анализами. Лишь в последнее время (20-30лет) было установлено, что многие из них в том или ином количестве всегда содержатся в растениях и животных, на развитие которых они оказывают большое влияние.

В процессе длительной эволюции в условиях конкретной географической среды организмы приспособились к определенным концентрациям химических элементов в почвах и поверхностных водах и атмосфере, в связи с чем, значительные отклонения от этих величин оказывают существенное влияние на биохимические процессы.

По микроэлементному составу различают 3 вида почв: почвы с оптимальным для большинства живых организмов микроэлементным составом, с избыточным и с недостаточным содержанием необходимых элементов. Такие территории, характеризующие нормальным, избыточным или недостаточным микроэлементным составом называют (см. первую главу) биогеохимическими провинциями. Существуют провинции с недостаточным содержанием фтора, такие территории эндемичны по кариесу. Провинции с избыточным содержанием фтора эндемичны по флюорозу. В провинциях с недостаточным содержанием иода - регистрируется эндемический зоб и базедова болезнь. Существуют также природные территории на которых отмечается различные другие болезни, связанные с несбалансированностью элементов минерального питания.

Микроэлементы содержатся в почвах, породах, природных водах, живых организмах в очень малых количествах, но выполняют важнейшие функции инициаторов и активаторов биохимических процессов. Карты биогеохимического районирования позволяют оптимизировать экологическую ситуацию путем использования микроудобрений, подкормок и медицинских препаратов. К микроэлементам обычно относят Li, B, F, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Rb, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn, I, Cs, W, Au, Bi. Многие другие элементы, также содержащиеся в малых количествах в организме, нередко относят к токсичным элементам, таковы ртуть, свинец, кадмий. Несмотря на это, стоит подчеркнуть, что и необходимые микроэлементы, когда их содержание превышает оптимум, могут стать токсичными (так же, между прочим, как и макроэлементы), а токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на живые организмы, то есть негативное влияние оказывают не элементы, а их концентрации.

Преобладающая часть содержащихся в почве микроэлементов растениям недоступна. Подвижные соединения Cu, Co, Mn (то есть доступные растениям) составляют только 10-25% общего количества, для Zn и Mo их доля еще меньше, иногда до 1%. Одна из причин заключается в том, что значительная часть их входит в состав почвенных минералов, а они медленно подвергаются выветриванию, что препятствует усваиванию элементов питания растениями. Экспериментально доказано, что микроэлементы необходимы для многих важнейших биохимических процессов, недостаток элементов замедляет эти процессы и даже останавливает их. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W, B, Mn, Zn, в синтезе белков участвуют Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, в кроветворении - Co, Cu, Mn, Ni, Zn, в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co.

Поэтому микроэлементы нашли широкое практическое применение в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормок в животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве. Борные удобрения применяют больше всего под сахарную свеклу, кормовые культуры, лен, хлопчатник. Молибден важен при выращивании бобовых культур, поскольку он необходим для деятельности клубеньковых бактерий, связывающих атмосферный азот. В медных удобрениях чаще всего нуждаются многие сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на осушенных торфяно-болотных почвах, где мало меди или она прочно связана, а также на супесчаных и песчаных почвах. Цинковые удобрения полезны во многих регионах они могут быть эффективны при выращивании кукурузы, сахарной свеклы, хлопчатника, овощных культур. На почвах с нейтральной или слабощелочной реакцией нередко вносят марганцовые удобрения, так как в этих почвах мало усвояемого растениями марганца, который при такой реакции почв легко превращается в трудно растворимый пиролюзит MnO2 , в карбонаты или фосфаты. Разработаны также кобальтовые удобрения, иодные, а также комплексные микроудобрения, содержащие наборы нескольких элементов.

По-видимому, наиболее оправдано, с биологической точки зрения, использование человеком элементов минерального питания прошедших биологическую трансформацию в растительных и животных организмах, однако в критических случаях, если этого невозможно добиться, следует использовать эти элементы, прошедшие переработку микроорганизмами или принимать их в дисперсном состоянии.

Содержание, миграция и аккумуляция химических элементов в биосфере обусловлены всем комплексом природных факторов. Разрабатывая идеи биогеохимического районирования, В.В. Ковальский, рассматривал в единстве как геохимическую среду (породы, природные воды, почвы), так и физиологические и биохимические особенности организмов. При таком анализе выявляются связи между недостатком или избытком микроэлементов, их количественными соотношениями и состоянием живых организмов вплоть до появления эндемических (местных) заболеваний, а результаты исследований служат основанием для биогеохимического районирования. Он выделил четыре зоны на территории бывшего СССР, которые характеризуются единством зональности почвообразования, климата, миграции элементов и типом биологических реакций организмов на геохимические факторы среды.

Несмотря на довольно длительную историю изучения проблемы микроэлементов в биосфере, современное состояние знаний приходится характеризовать только как поверхностное. Накоплено много фактических данных по уровням содержания микроэлементов в различных компонентах биосферы, по реакции живых организмов на их недостаток или избыток, разработаны специальные методы анализа малых количеств элементов, составлены карты биогеохимического районирования и биогеохимических провинций. Несмотря на это, общей теории, рассматривающей функции, механизмы воздействия и роль микроэлементов в биосфере, пока нет. Можно только утверждать, что микроэлементы необходимы всем без исключения живым организмам, они резко реагируют на недостаток, избыток или неблагоприятное соотношение элементов. Найдены некоторые эмпирические приемы регулирования жизненных процессов, если они осложнены несбалансированностью микроэлементного питания.

Но значительно больше остается нерешенных вопросов, которые охватывают как крупные теоретические проблемы, имеющие общее значение, так и конкретные, часто прикладные задачи, понимание которых необходимо для экологической оптимизации природной среды. Глобальное значение имеют проблемы одновременного действия совокупности элементов, их роль в становлении и эволюции жизненных форм, связь потребностей в микроэлементах с геохимией Земли и космического пространства. Частные задачи связаны с разработкой методов и показателей мониторинга в отношении микроэлементов, создания условий для сельскохозяйственной деятельности по производству продуктов питания с оптимальным содержанием необходимых элементов, а также производство медицинских препаратов, подкормок и удобрений, содержащих микроэлементы, технологии их использования, с разработкой методов учета одновременного влияния нескольких микроэлементов на живые организмы.

Основные вопросы, которые необходимо для этого разрешить:

- закономерности миграции химических элементов в биогеоценозах;

- динамика миграции химических элементов в биогеоценозах;

- оценка величин биогеохимических циклов химических элементов в ландшафтах;

- тенденции изменения глобальных и локальных циклов химических элементов в настоящее время;

- биогеохимия и биологическая роль малоизученных химических элементов;

- биогеохимическая роль почвенных организмов, и, в первую очередь, микроорганизмов;

- биогеохимические характеристики организмов;

- мониторинг и моделирование биогеохимических потенциалов.

В основе функционирования организма как биохимической машины лежит постоянство внутренней среды. Гомеостаз имеет динамический характер и поддерживается непрерывным притоком необходимых организму веществ различной степени организации от аминокислот и витаминов до элементов минерального питания.

В процессе длительной эволюции в условиях конкретной географической среды организмы приспособились к определенным динамическим равновесиям элементов минерального питания, которые связаны с концентрациями химических элементов в почвах, поверхностных водах и атмосфере, в связи с чем значительные отклонения от этих концентраций оказывают часто очень существенное влияние на биохимические процессы.

Важным является вопрос условий перехода почвенных элементов минерального питания в состояние доступное, для включения в биогеохимический цикл. Особую роль в этом играют почвенные микроорганизмы, роль которых неоднократно постулировалась, но практически не изучена. Это особенно важно на фоне повышенного поступления в окружающую среду многих элементов благодаря техногенным процессам. Как отмечает Д. Уильямс, уровень загрязнения окружающей среды соединениями металлов растет. Возможно, благодаря эволюции, живой мир со временем адаптируется к новому химическому окружению, причем некоторые элементы станут полезными или, даже, необходимыми.

Парадоксальность ситуации в том, что в ветеринарии, где лечение экономически невыгодно, сбалансированности пищи по элементам минерального питания уделяется значительно больше внимания, чем в медицине. Интересны в этом отношении лекции доктора Уоллока, который был практикующим ветеринаром, а затем стал практикующим доктором. Он замечает по этому поводу: "Пришлось вернуться к учебе и стать врачом, а это позволило мне использовать все те знания о питании, которые я получил в ветеринарной школе".

Содержание многих элементов минерального питания в почвах низко, особенно это касается доступной формы, и поэтому снимаемый с полей урожай, содержит их недостаточно. Люди, употребляющие эти продукты, автоматически приобретают заболевания, связанные с дефицитом минералов и единственный способ предотвратить связанные с этим болезни – употреблять в пищу минеральные добавки или получать необходимые элементы, оптимизируя питание растений и животных по необходимым параметрам.
^ 1.1 Питание - основа здоровья
В настоящее время возрастает способность каждого отдельного человека определять свою судьбу, повышается возможность выбора хотя бы в обычных ситуациях. Однако выбор оказывается невозможным без хотя бы минимального знания. Немаловажным является свобода выбора в отношении своего здоровья. В этом отношении необходимо понимать всеобщую связь человека, его происхождения и состава с космическими процессами и длительными изменениями в литосфере. Выветривание коры, которое, казалось бы, имеет отношение к почве, напрямую связано с поставкой необходимого строительного материала живой биохимической машине, а следовательно и со здоровьем живых существ, в том числе и человека.

Наше здоровье начинается с вмещающего ландшафта, его особенностей и способностью обеспечить организм необходимым: элементами структуры, энергией и условиями среды. В первую очередь для нормальной жизнедеятельности человеку необходимо более 90 биологически активных веществ: - это около 10 незаменимых аминокислот, чаще встречается цифра – 8, 16 витаминов, три полиненасыщенные жирные кислоты и около 60 минералов. Обычный рацион питания должен включать в себя в среднем следующие компоненты (таблицы 1 - 6).

В таблице 1 представлены основные пищевые ингредиенты, необходимые для обеспечения в веществе и энергии. В таблицах 2 - 6 - приведены элементы формулы сбалансированного питания, в состав которой входят аминокислоты, липиды, углеводы, витамины и минеральные вещества.

Таблица 1 - Средняя суточная потребность взрослого человека в пищевых веществах и энергии (формула сбалансированного питания, в граммах)

^ Пищевое вещество

Суточная потребность

Вода, всего

1750-2200

питьевая

800-1000

супы

250-500

Продукты питания

700

Белки, всего

80-100

животные

50


Таблица 2 - Средняя суточная потребность взрослого человека в аминокислотах, в граммах

^ Незаменимые аминокислоты

Заменимые аминокислоты

триптофан

1

гистидин

1,5-2

лейцин

4-6

аргинин

5-6

изолейцин

3-4

цистин

2-3

валин

3-4

тирозин

3-4

треонин

2-3

аланин

3

лизин

3-5

серин

3

метионин

2-4

глутаминовая кислота

156

фенилаланин

2-4

аспарагиновая кислота

6







пролин

5







гликокол

3


Таблица 3 - Средняя суточная потребность взрослого человека в липидах, в граммах

^ Пищевое вещество

Суточная потребность

Жиры, всего

80-100

растительные

20-25

ПНЖК

2-6

холестерин

0,3-0,06

фосфолипиды

5



Таблица 4 - Средняя суточная потребность взрослого человека в углеводах, в граммах

^ Пищевое вещество

Суточная потребность

Углеводы, всего

400-500

крахмал

400-450

сахар

50-100

балластные вещества
(клетчатка, пектин)

25

Органические кислоты
(молочная, лимонная)

2


Таблица 5 - Средняя суточная потребность взрослого человека в витаминах, в миллиграммах

^ Пищевое вещество

Суточная потребность

Аскорбиновая кислота

50-70

Тиамин, В1

1,5-2.0

Рибофлавин, В2

2,0-2,5

Ниацин, РР

15-25

Пиридоксин, В6

2-3

В3

5-10

В12

0,002-0,005

бибтин

0,15-0,3

холин

500-1000

рутин, Р

25

фолиевая кислота, Вс

0,2-0,4

Д

0,0025-0,01

А

1,5-2,5

каротиноиды

3,0-5,0

Е

10-20

К

0,2-0,3

липоевая кислота

0,5

инозит, г

0,5-1,0


Некоторые из этих веществ, достаточно сложные по составу, могут синтезироваться в организме, другие, среди них и элементы минерального питания, должны поступать в организм постоянно, находясь в состоянии динамического равновесия, они с такой же скоростью и выводятся из организма. Однако, если поступление этих веществ будет ниже необходимого, концентрация данного вещества в организме станет ниже допустимой и наступит голодание организма, несмотря на поступление всех других необходимых веществ.


Таблица 6 - Средняя суточная потребность взрослого человека в минеральных веществах, в миллиграммах

^ Пищевое вещество

Суточная потребность

кальций

800-1000

фосфор

1000-1500

натрий

4000-6000

калий

2500-5000

хлориды

5000-7000

магний

300-350

железо

15

цинк

10-15

марганец

5-10

хром

0,2-0,25

медь

2

кобальт

0,1-0,2

молибден

0,5

селен

0,5

фториды

0,5-1.0

иодиды

0,1-0,2



^ 1.2 Химические элементы и здоровье
Ниже дано краткое описание химических элементов, по их биологической роли в организме человека. Последовательность представления соблюдается в соответствии со второй главой. Некоторым элементам, роль которых общеизвестна, будет уделено внимания значительно меньше их значению в жизнедеятельности, другим, роль которых еще недостаточно известна, может быть выделено значительно больше места, несмотря на их различие в процентном отношении по содержанию в организме.

Биогенные элементы - это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определённое биологическое значение. Прежде всего это кислород (составляющий до 70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%), кальций, азот, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, железо. Эти элементы входят в состав всех живых организмов, являются их основой и играют большую роль в процессах жизнедеятельности. На трех нижеследующих диаграммах – рисунки 1-3 - представлены эти элементы с разбивкой на три группы: первая группа из трех элементов, процентное содержание которых в организме превышает их содержание в литосфере. Вторая группа, порядок содержания которых в организме соответствует величине 10-1, здесь, за исключением азота, основной пул которого находится в воздухе атмосферы, кларк элемента выше их содержания в организме. В третей группе макроэлементов с порядком содержания в организме - 10-2, наблюдается такая же закономерность.

Одной из характеристик биогенности химических элементов является их классификация по количественному содержанию в организме. По этому параметру химические элементы делят на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.





Биогенные элементы, содержание которых в организме превышает 0,01% от массы тела, относят к макроэлементам. Это 12 элементов: органогены, ионы электролитного фона и железо. Они составляют 99,99% живого субстрата. 99% химических элементов составляют только шесть из них: С, Н, О, N, Р, Ca. Элементы К, Na, Mg, Fe, Сl, S относят к олигобиогенным элементам. Содержание их колеблется от 0,1 до 1%.

Элементы, необходимые для жизнедеятельности, общее количество которых в организме порядка 0,01%, относят к микроэлементам. Содержание каждого из них от 10-2 до 10-5%, от массы тела. Большинство микроэлементов содержится в основном в тканях печени, которая является депо микроэлементов. Некоторые микроэлементы проявляют сродство к определенным тканям ( йод - к щитовидной железе, фтор - к эмали зубов, цинк - к поджелудочной железе, молибден - к почкам).








Элементы, с общим объемом менее 10-5%, относят к ультрамикроэлементам. Количество и биологическая роль многих элементов невыяснены до конца. Некоторые из них постоянно содержатся в организме животных и человека, как например: Ga, Ti, F, Al, As, Cr, Ni, Se, Ge, Sn и другие, биологическая роль которых выяснена недостаточно. Их относят к условно биогенным элементам. Некоторые элементы: Те, Sc, In, W, Re обнаружены в организме человека и животных, и данные об их количестве и биологической роли не выяснены, однако в последнее время проводится значительное количество исследований в этом направлении. Примесные элементы также делят на аккумулирующиеся: - Hg, Pb, Cd и не аккумулирующиеся: - Al, Ag, Go, Ti, F.

В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне, при этом суточное поступление химических элементов в организм человека должно составлять - таблица 7. Если сравнить данные приведенные в этой таблице с данными таблицы 5 - формулы сбалансированного питания, можно отметить некоторое различие в граничных колебаниях объемов поступления элементов минерального питания. Кроме того, в таблицу 7 включен титан и нормируется поступление сульфатов, которых нет в предыдущей таблице.

^ 1.3 Металлы и жизнь

В настоящее время известно более 2000 ферментов, многие из которых катализируют всего одну реакцию. Активность большой группы ферментов проявляется только в присутствии определенных соединений небелковой природы, называемых кофакторами. В качестве кофакторов выступают ионы металлов или органические соединения. Примерно третья часть ферментов активируется переходными металлами.

Ионы металлов в ферментах выполняют ряд функций: являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата, формируют каталитически активную конформацию структуры фермента (в формировании спиральной структуры РНК, участвуют ионы цинка и марганца), участвуют в транс­порте электронов (комплексы переноса электрона). Способность иона металла выполнять свою роль в активном центре соответствующего фермента зависит от его способности к комплексообразованию, геометрии и устойчивости образуемого комплекса. Это обеспечивает повышение селективности фермента по отношению к субстратам, активации связей в ферменте или субстрате посредством координации и изменении формы субстрата в соответствии со стерическими требованиями активного центра.

Таблица 7 - Суточное поступление химических элементов в организм человека, в мг/сутки

^ Химический элемент

Суточное потребление, в мг

Взрослые

Дети

Калий

2000-5500

530

Натрий

1100-3300

260

Кальций

800-1200

420

Магний

300-400

60

Цинк

15

5

Железо

10-15

7

Марганец

2-5

1,3

Медь

1,5-3,0

1,0

Титан

0,85

0,06

Молибден

0,075-0,250

-

Хром

0,05-0,20

0,04

Кобальт

Около 0,2 витамин B12

0,001

Хлор

3200

470

РО43-

800-1200

210

SO42-

10

–

Йод

0,15

0,07

Селен

0,05-0, 07

–

Фтор

1,5-4,0

0, 6


Биокомплексы различаются по устойчивости. Одни из них настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определенную функцию. В тех случаях, когда связь кофактора и белка фермента прочна и разделить их трудно, его называют «простетической группой». Такие связи обнаружены в ферментах, содержащих гем-комплексное соединение железа с производным порфина. Роль металлов таких комплексов высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Данные ферменты относят к специфическим ферментам.

Примерами таких соединений является хлорофилл, полифенилоксидаза, витамин В12, гемоглобин и некоторые металлоферменты (специфические ферменты). Немногие ферменты участвуют только в одной определенной или единственной реакции.

Каталитические свойства большинства ферментов определяются активным центром, образуемым разными микроэлементами. Ферменты синтезируются на период выполнения функции. Ион металла выполняет роль активатора и его можно заменить ионом другого металла без потери физиологической активности фермента. Такие отнесены к неспецифическим ферментам.

Ниже приведены ферменты, в которых ионы различных металлов выполняют сходные функции, таблица 8.


Таблица 8 - Ферменты, в которых ионы различных металлов выполняют сходные функции

Фермент


Микроэлементы, активирующие фермент

Карбоксилаза


Mn2+, Co2+, Cu2+, Fe2+, Ca2+, Zn2+

Полипептидаза


Zn2+, Co2+

Лецитиназа


Zn2+, Mg2+, Co2+, Zn2+, Mn2+

Аргиназа


Co2+, Mn2+, Ni2+, Fe2+


Один микроэлемент может активировать работу различных ферментов, а один фермент может быть активирован различными микроэлементами. Наибольшую близость в биологическом действии оказывают ферменты с микроэлементами в одинаковой степенью окисления +2. Как видно для микроэлементов переходных элементов в их биологическом действии характерно больше горизонтальное сходство, чем вертикальное в периодической системе (в ряду Ti-Zn). Пpи решeнии вопроса о применении того или иного микроэлемента необходимо учитывать не только наличие подвижных форм этого элемента, но и других, имеющих одинаковую степень окисления и способных заменять друг друга в составе ферментов.

Промежуточное положение между специфическими и неспецифическими ферментами занимают некоторые металлоферменты. Ионы металлов выполняют функцию кофактора. Повышение прочности биокомплекса фермента повышает специфичность его биологического действия. На эффективность ферментативного действия иона металла фермента оказывает влияние его степень окисления. По интенсивности влияния микроэлементы расположены в следующий ряд: Ti4+→Fe3+→Cu2+→Fe2+→Mg2+→Mn2+. Ион Мn3+ в отличии от иона Мn2+, очень прочно связан с белками, причем преимущественно с кислородосодержащими группами совместно Fe3+ входит в состав металлопротеинов.

Микроэлементы в комплексной форме выступают в организме в качестве фактора, определяющего, по-видимому, высокую чувствительность клеток к микроэлементам путем их участия в создании высокого градиента концентрации. Значения атомных и ионных радиусов, энергий ионизации, координационных чисел, склонность к образованию связей с одними и теми же элементами в молекулах биолигандов обусловливают эффекты, наблюдаемые при взаимном замещении ионов: может происходить с усилением (синергизм), так и с угнетением их биологической активности (антагонизм) замещаемого элемента.

Ионы d-элементов в степени окисления +2 (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) имеют сходные физико-химические характеристики атомов (электронную структуру внешнего уровня, близкие радиусы ионов, тип гибридизации орбиталей, близкие значения констант устойчивости с биолигандами). Сходство физико-химических характеристик комплексообразователя определяет близость их биологического действия и взаимозаменяемость. Эти переходные элементы стимулируют процессы кроветворения, усиливают процессы обмена веществ. Синергизм элементов в процессах кроветворения связан, возможно, с участием ионов этих элементов в различных этапах процесса синтеза форменных элементов крови человека.

Для s - элементов I группы характерен по сравнению с другими элементами своего периода небольшой заряд ядер атомов, невысокий потенциал ионизации валентных электронов, большой размер атома и увеличение его в группе сверху вниз. Все это определяет состояние их ионов в водных растворах в виде гидратированных ионов. Наибольшее сходство лития с натрием обусловливает их взаимозаменяемость, синергизм их действия.

Концентрация К+ внутри клеток в 35 раз выше чем вне ее, а концентрация Na+ во внеклеточной жидкости в 15 раз больше чем внутри клетки. Эти ионы в биологических системах являются антагонистами. s - элементы II группы в организме находятся в виде соединений образованных фосфорной, угольной и карбоновых кислотами. Кальций, содержащийся в основном в костной ткани, по своим свойствам близок к стронцию и барию, которые могут замещать его в костях. При этом наблюдаются как случаи синергизма, так и антагонизма. Ионы кальция являются также антагонистами ионов натрия, калия и магния.

Сходство физико-химических характеристик ионов Ве2+ и Mg2+ обусловливает их взаимозаменяемость в соединениях, содержащих связи Mg–N и Mg–О. Этим можно объяснить ингибирование магнийсодержащих ферментов при попадании в организм бериллия. Бериллий - антагонист магния. Следовательно, физико-химические свойства и биологическое действие микроэлементов определяются строением атомов. Большинство биогенных элементов - это члены второго, третьего и четвертого периодов периодической системе. Это относительно легкие атомы, со сравнительно небольшим зарядом ядер.

Наряду с заболеваниями, обусловленными антропогенными поступлениями химических элементов в окружающую среду, существуют заболевания связанные с особенностями биогеохимических провинций. Заболевания и синдромы, в этиологии которых главную роль играет недостаток биогенных (эссенциальных) элементов или избыток как токсических, так и биогенных микроэлементов, а также их дисбаланс, в том числе аномальные соотношения микро- и макроэлементов. Одна из рабочих классификаций микроэлементозов человека приведена в таблице 9.

Установлено, что в некоторых биогеохимических провинциях бывает избыток или недостаток определенных микроэлементов, в других не обеспечивается сбалансированное минеральное питание организма, что приводит к возникновению заболеваний на данной территории. Заболевания, вызываемые избытком пли недостатком элементов в определенной зоне, называют эндемическими заболеваниями. Симптомы заболеваний, вызванных недостатком химических элементов в организме - гипомикроэлементозов, представлены в таблице 10.

Как видно из таблицы, при недостатке железа в организме развивается анемия, так как оно входит в состав гемоглобина крови. Суточное поступление в организм этого элемента должно быть 12 мг. Однако, избыток железа вызывает сидероз глаз и легких, что связано с отложением соединений железа в тканях этих органов на Урале в горных районах Сатки. В Армении в почвах повышенное содержание молибдена, поэтому 37% населения страдает подагрой. Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительной ткани.


Таблица 9 - Микроэлементозы человека

^ Основные группы

Основные формы заболеваний

Краткая характеристика


Природные, эндогенные


Врожденные, наследственные

В основе заболевания микроэлементоз матери. Недостаток, избыток, дисбаланс МЭ вызван патологией хромосом или генов.


Природные, экзогенные

Вызванные

а) МЭ – дефицитом

б) МЭ – избытком

в) МЭ - дисбалансом

Природные, не связанные с деятельностью человека и приуроченные к определенным географическим локусам. Эндемические заболевания людей, сопровождающиеся теми или иными признаками у животных и растений.


Техноген

ные


Промышленные (профессиональные)

Заболевания связанные с производственной деятельностью человека, болезни и синдромы, вызванные избытком микроэлементов в зоне производства

Соседские

По соседству с производством за счет воздушного или водного переноса МЭ


Ятрогенные

Вызванные

а) МЭ – дефицитные

б) МЭ – избытком

в) МЭ - дисбалансом

Быстро увеличивающееся число заболеваний связанных с интенсивным лечением разных болезней препаратами, содержащими микроэлементы, а также с поддерживающей терапией не обеспечивающей организм необходимым уровнем МЭ.


Кроме того, дефицит меди способствует раковым заболеваниям у людей пожилого возраста.

Избыток меди в организме (гипермикроэлементоз) приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Дефицит меди вызывает заболевание мозга у детей (синдром Мениеса), так как в мозге не хватает цитохромоксидазы. При дефиците в пище йода развивается «базедова болезнь». В Забайкалье, Китае, Корее население поражается деформирующими артрозами (уровская болезнь). Особенность болезни – размягчение и искривление костей. Почвы этих территорий имеют повышенное содержание Sr, Ва, и пониженное - Со, Са, Сu.


Таблица 10 - Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека.

Элемент

Типичный симптом при дефиците

Co

Замедление роста скелета

Mg

Мышечные судороги

Fe

Анемия, нарушение иммунной системы.

Zn

Повреждение