Хімічні елементи в організмі людини
Ю. Н. Кукушкін, Санкт-Петербурзький державний
технологічний інститут
Для
організму людини безумовно встановлена роль близько 30 хімічних елементів,
без яких він не може нормально існувати. Ці елементи називають життєво
необхідними. Крім них, є елементи, які в малих кількостях не
позначаються на функціонуванні організму, але при певному змісті
є отрутами.
Вступ
Багатьом
хімікам відомі крилаті слова, сказані в 40-х роках цього століття
німецькими вченими Вальтером і Ідой Ноддак, що в кожному кругляк на бруківці
присутні всі елементи періодичної системи. Спочатку ці слова були
зустрінуті далеко не з одностайним схваленням. Однак, у міру того як
розроблялися все більш точні методи аналітичного визначення хімічних
елементів, вчені все більше переконувалися в справедливості цих слів.
Якщо
погодитися з тим, що в кожному кругляк містяться всі елементи, то це
повинно бути справедливо і для живого організму. Всі живі організми на Землі, у
тому числі і людина, знаходяться в тісному контакті з навколишнім середовищем. Життя
вимагає постійного обміну речовин в організмі. Надходженню в організм хімічних
елементів сприяють харчування і споживана вода. Відповідно до
рекомендацією дієтологічної комісії Національної академії США щоденне
надходження хімічних елементів з їжею повинен розміщуватися на певному
рівні (табл. 1). Стільки ж хімічних елементів повинне щодоби виводитися
з організму, оскільки їх змісту знаходяться у відносному сталості.
Припущення
деяких вчених йдуть далі. Вони вважають, що в живому організмі не тільки
присутні всі хімічні елементи, але кожен з них виконує певну
біологічну функцію. Цілком можливо, що ця гіпотеза не підтвердиться.
Однак, у міру того, як розвиваються дослідження в даному напрямку,
виявляється біологічна роль дедалі більшої кількості хімічних елементів.
Організм
людини складається на 60% з води, 34% припадає на органічні речовини і 6% --
на неорганічні. Основними компонентами органічних речовин є
вуглець, водень, кисень, до їх складу входять також азот, фосфор і сірка. У
неорганічних речовин організму людини обов'язково присутні 22
хімічних елементи: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn,
Mo, Cr, Si, I, F, Se.
Наприклад,
якщо вага людини становить 70 кг, то в ньому міститься (у грамах): кальцію --
1700, калію - 250, натрію - 70, магнію - 42, заліза - 5, цинку - 3.
Вчені
домовилися, що якщо масова частка елемента в організмі перевищує 10-2%, то
його слід вважати макроелементом. Частка мікроелементів в організмі становить
10-3-10-5%. Якщо вміст елемента нижче 10-5%, його вважають
ультрамікроелементи. Звичайно, така градація умовна. По ній магній потрапляє в
проміжну область між макро-і мікроелементами.
Таблиця
1. Добове надходження хімічних елементів в організм людини
Хімічний елемент
Добове надходження, мг
дорослі
діти
K
2000-5500
530
Na
110-3300
260
Ca
800-1200
420
Mg
300-400
60
Zn
15
5
Fe
10-15
7,0
Mn
2,0-5,0
1,3
Cu
1,5-3,0
1,0
Mo
0,075-0,250
0,06
Cr
0,05-0,2
0,04
Co
Близько 0,2 (вітамін В12)
0,001
Cl
3200
470
PO43-
800-1200
210
SO42-
10
-
I
0,15
0,07
Se
0,05-0,07
-
F
1,5-4,0
0,6
Життєво необхідні елементи
Безсумнівно,
часом внесе корективи в сучасні уявлення про кількість і біологічної
ролі певних хімічних елементів в організмі людини. У даній статті ми
будемо виходити з того, що вже достеменно відомо. Роль макроелементів,
що входять до складу неорганічних речовин, очевидна. Наприклад, основне
кількість кальцію і фосфору входить в кості (гідроксофосфат кальцію
Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), а хлор у вигляді соляної кислоти міститься в шлунковому соку.
Мікроелементи
увійшли в зазначений вище ряд 22 елементів, обов'язково присутніх у
організмі людини. Зауважимо, що більшість з них - метали, а з металів
більше половини є d-елементами. Останні в організмі утворюють
координаційні сполуки зі складними органічними молекулами. Так,
встановлено, що багато біологічні каталізатори - ферменти містять іони
перехідних металів (d-елементів). Наприклад, відомо, що марганець входить до складу
12 різних ферментів, залізо - у 70, мідь - у 30, а цинк - більш ніж у 100.
Мікроелементи називають життєво необхідними, якщо при їх відсутності або
нестачі порушується нормальна життєдіяльність організму. Характерним
ознакою необхідного елемента є колоколообразний вид доза кривий (n) --
у відповідь реакція (R, ефект) (рис. 1).
Рис.
1. Залежність відповідної реакції (R) від дози (n) для життєво необхідних
елементів
При
малому надходженні цього елемента організму наноситься істотної шкоди. Він
функціонує на межі виживання. В основному це пояснюється зниженням
активності ферментів, до складу яких входить цей елемент. При підвищенні
дози елемента у відповідь реакція зростає і досягає норми (плато). При
подальшому збільшенні дози виявляється токсична дія надлишку даного
елементу, в результаті чого не виключається і летальний результат. Криву на рис. 1
можна трактувати так: все має бути в міру і дуже мало і дуже багато шкідливо.
Наприклад, нестача в організмі заліза призводить до анемії, тому що воно входить до
складу гемоглобіну крові, а точніше, його складової частини - гема. У дорослої
людини в крові міститься близько 2,6 г заліза. У процесі життєдіяльності в
організмі відбуваються постійна розпад та синтез гемоглобіну. Для заповнення
заліза, втраченого після розпаду гемоглобіну, людині необхідно добове
надходження в організм з їжею в середньому близько 12 мг цього елементу. Зв'язок
анемії з недоліком заліза була відома лікарям давно, тому що ще в XVII столітті
в деяких європейських країнах при недокрів'ї прописували настій залізних
тирси в червоному вині. Однак надлишок заліза в організмі теж шкідливий. З ним
пов'язаний сідероз очей і легень - захворювання, що викликаються відкладенням з'єднань
заліза в тканинах цих органів. Головний регулятор вмісту заліза в крові --
печінку.
Недолік
в організмі міді призводить до деструкції кровоносних судин, патологічного
росту кісток, дефектів у сполучних тканинах. Крім того, вважають, що
дефіцит міді служить однією з причин ракових захворювань. У деяких випадках
ураження легень на рак у людей похилого віку лікарі пов'язують з віковим
зниженням вмісту міді в організмі. Однак надлишок міді в організмі приводить
до порушення психіки і паралічу деяких органів (хвороба Вільсона). Людині
заподіюють шкоду лише відносно великі кількості з'єднань міді. У малих
дозах їх використовують в медицині як в'яжучий і бактеріостазное (затримує
ріст і розмноження бактерій) засіб. Так, наприклад, сульфат міді (II)
застосовують при лікуванні кон'юктивіту у вигляді очних крапель (25%-ий розчин), а
також для припікання при трахомі у вигляді очних олівців (сплав сульфату
міді (II), нітрату калію, квасцов і камфори). При опіках шкіри фосфором проводять
її рясне змочування 5%-ним розчином сульфату міді (II).
Таблиця
2. Характерні симптоми дефіциту хімічних елементів в організмі людини
Дефіцит елемента
Типовий симптом
Ca
Уповільнення зростання скелета
Mg
М'язові судоми
Fe
Анемія, порушення імунної
системи
Zn
Пошкодження шкіри, уповільнення
зростання, уповільнення статевого дозрівання
Cu
Слабкість артерій, порушення
діяльності печінки, вторинна анемія
Mn
Безпліддя, погіршення росту
скелета
Mo
Уповільнення клітинного росту,
схильність до карієсу
Co
Злоякісна анемія
Ni
Частішання депресій, дерматити
Cr
Симптоми діабету
Si
Порушення росту скелета
F
Карієс зубів
I
Порушення роботи щитовидної
залози, уповільнення метаболізму
Se
М'язова (зокрема,
серцеві) слабкість
Біологічна
функція інших лужних металів у здоровому організмі поки неясна. Однак
є вказівки, що введенням в організм іонів літію вдається лікувати одну з
форм маніакально-депресивного психозу. Наведемо табл. 2, з якої видно
важлива роль інших життєво необхідних елементів.
домішкові елементи
Є
велика кількість хімічних елементів, особливо серед важких, які є отрутами
для живих організмів, - вони несприятливо біологічне
вплив. У табл. 3 наведені ці елементи відповідно до Періодичної
системою Д.І. Менделєєва.
Таблиця
3.
Період
Група
VIII
I
II
III
IV
V
VI
2
-
-
Be
-
-
-
-
4
Ni
-
-
-
-
As
Se
5
Pd
Ag
Cd
-
-
Sb
Te
6
Pt
Au
Ba
Hg
Tl
Pb
Bi
-
За
винятком берилію і барію, ці елементи утворюють міцні сульфідні
з'єднання. Існує думка, що причина дії отрут пов'язана з
блокуванням певних функціональних груп (зокрема, сульфгідрильних)
протеїну або ж з витісненням з деяких ферментів іонів металів, наприклад
міді і цинку. Елементи, представлені в табл. 3, називають домішкових. Їх
діаграма доза - ефект має іншу форму в порівнянні з життєво необхідними
(рис. 2).
Рис.
2. Залежність відповідної реакції (R) від дози (n) для домішкових хімічних
елементів До певного змісту цих елементів організм не відчуває
шкідливого впливу, але при значному збільшенні концентрації вони
стають отруйними.
Зустрічаються
елементи, які у відносно великих кількостях є отрутами, а в низьких
концентраціях роблять корисний вплив. Наприклад, миш'як - сильна отрута,
порушує серцево-судинну систему і що вражає нирки і печінку, у невеликих
дозах корисний, і лікарі прописують його для поліпшення апетиту. Кисень,
необхідний людині для дихання, у високій концентрації (особливо під
тиском) надає отруйна дія.
З
цих прикладів видно, що концентрація елемента в організмі відіграє дуже
істотну, а часом і катастрофічну роль. Серед домішкових елементів
є й такі, що в малих дозах володіють ефективними лікуючими
властивостями. Так, давно було помічено бактерицидну (що викликає загибель різних
бактерій) властивість срібла та його солей. Наприклад, у медицині розчин
колоїдного срібла (Коларгол) застосовують для промивання гнійних ран, сечового
міхура, при хронічних циститах і уретітах, а також у вигляді очних крапель при
гнійних кон'юктивіту і бленореї. Олівці з нітрату срібла застосовують для
припікання бородавок, грануляцій. У розведених розчинах (0,1-0,25%) нітрат
срібла використовують як в'яжучий і протимікробну засіб для примочок, а
також як краплі. Вчені вважають, що припікаючу дію
нітрату срібла пов'язано з його взаємодією з білками тканин, що призводить до
утворення білкових солей срібла - альбумінатов. Срібло поки не відносять до
життєво необхідних елементів, проте вже експериментально встановлено його
підвищений вміст в мозку людини, в залозах внутрішньої секреції, печінки.
В організм срібло надходить з рослинною їжею, наприклад з огірками і
капустою.
В
статті наведено Періодична система, в якій охарактеризована
біоактивності окремих елементів [1]. Оцінка заснована на прояві симптомів
дефіциту або надлишку певного елемента. Вона враховує наступні симптоми
(у порядку зростання ефекту): 1 - зниження апетиту; 2 - потреба в
зміні дієти; 3 - значні зміни складу тканин; 4 - підвищена
пошкоджуваність однієї або декількох біохімічних систем, що виявляється в
спеціальних умовах; 5 - недієздатність цих систем у спеціальних умовах;
6 - субклінічні ознаки недієздатності; 7 - клінічні симптоми
недієздатність і підвищена пошкоджуваність; 8 - загальмований зростання; 9 - відсутність
репродуктивної функції. Крайній формою прояву дефіциту або надлишку елемента
в організмі є смертельний результат. Оцінка біоактивності елемента зроблена
по дев'ятибальною шкалою в залежності від характеру симптому, для якого
виявлена специфічність.
При
такої оцінки найбільш високим балом характеризуються життєво необхідні
елементи. Наприклад, елементи водень, вуглець, азот, кисень, натрій, магній,
фосфор, сірка, хлор, калій, кальцій, марганець, залізо та ін характеризуються
сумою балів, що дорівнює 9.
Висновок
Виявлення
біологічної ролі окремих хімічних елементів у функціонуванні живих
організмів (людини, тварин, рослин) - важлива і захоплююча завдання.
Мінеральні речовини, як і вітаміни, часто діють як коферменти при каталізі
хімічних реакцій, що відбуваються весь час в організмі.
Зусилля
фахівців спрямовані на розкриття механізмів прояву біоактивності
окремих елементів на молекулярному рівні (див. статті Н. А. Улахновіча
"Комплекси металів в живих організмах": Соросівський Освітній
Журнал. 1997. № 8. С. 27-32; Д.А. Леменовского "З'єднання металів у
живій природі ": Там же. № 9. С. 48-53). Немає сумніву, що в живих
організмах іони металів знаходяться в основному у вигляді координаційних сполук
з "біологічними" молекулами, які виконують роль лігандів. У
статті через обмеженість обсягу наведений матеріал, що відноситься головним
чином до організму людини. З'ясування ролі металів у життєдіяльності
рослин, безсумнівно, виявиться корисним для сільського господарства. Роботи в цьому
напрямку широко ведуться в лабораторіях різних країн.
Вельми
цікаве питання про принципи відбору природою хімічних елементів для
функціонування живих організмів. Не викликає сумніву, що їх
поширеність не є вирішальним чинником. Здоровий організм сам
здатний регулювати зміст окремих елементів. При наявності вибору (їжі
і води) тварини інстинктивно можуть вносити внесок в це регулювання.
Можливості рослин у даному процесі обмежені. Свідоме регулювання
людиною змісту мікроелементів у грунті сільськогосподарських угідь також
один з важливих завдань, що стоять перед дослідниками. Знання, отримані вченими
в цьому напрямку, вже оформилися в нову галузь хімічної науки --
біонеорганічної хімію. Тому доречно нагадати слова видатного вченого
XIX століття А. Ампера: "Щасливі ті, хто розвиває науку в роки, коли вона
не завершена, але коли в ній вже назріло рішучий поворот ". Ці слова
можуть бути особливо корисні тим, хто стоїть перед вибором професії.
Список літератури
1.
Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механізми токсичної дії неорганічних
з'єднань. М.: Медицина, 1989.
2.
Кукушкін Ю.М. З'єднання вищого порядку. Л.: Хімія, 1991.
3.
Кукушкін Ю.М. Хімія навколо нас. М.: Висш. шк., 1992.
4.
Лазарев Н.В. Еволюція фармакології. Л.: Изд-во Воен.-мед. акад., 1947.
5.
Неорганічна біохімія. М.: Світ, 1978. Т. 1, 2/Под ред. Г. Ейхгорна.
6.
Хімія навколишнього середовища/Под ред. Дж.О. Бокріса. М.: Хімія, 1982.
7.
Яцимірський К.Б. Ст?? деніе в біонеорганічної хімію. Київ: Наук. думка, 1973.
8. Kaim W., Schwederski B.
Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life. Chichester:
John Wile and Sons, 1994. 401 p.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/
