Химические элементы и их роль в организме таблица – Функции химических элементов в организме человека

Функции химических элементов в организме человека


⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 23Следующая ⇒

Таблица 4.1

Функция макроэлементов в организме

Элементы Функция Недостаток
Фосфор Участвует в построении всех клеток организма, во всех обменных процессах, очень важен для работы мозга, участвует в образовании гормонов. Хроническая усталость, снижение внимания. Иммунодефицитные состояния. Снижение сопротивляемости к инфекциям. Дистрофические изменения в миокарде. Остеопороз.
Кальций Формирование костной ткани, минерализация зубов. Участие в процессах свертывания крови. Регуляция проницаемости клеточных мембран. Регуляция процессов нервной проводимости и мышечных сокращений. Поддержание стабильной сердечной деятельности. Активатор ферментов и гормонов. Общая слабость, повышенная утомляемость. Боли, судороги в мышцах. Нарушения процессов роста. Декальцинация скелета, остеопороз, деформация скелета. Нарушения иммунитета. Снижение свертываемости крови, кровоточивость.
Магний Участие в обменных процессах, взаимодействие с калием, натрием, кальцием. Активатор для множества ферментативных реакций. Регуляции нервно-мышечной проводимости, тонуса гладкой мускулатуры Раздражительность, головные боли, перепады артериального давления, сердцебиения.
Калий Помогает выработке практически всех ферментов. Отвечает за сердечную проводимость и состояние сердечно-сосудистой системы в целом. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами натрия («калиево-натриевый насос») Сердечные аритмии, сонливость, мышечная слабость, тошнота, задержка мочи, снижение давления.
Натрий Обеспечивает кислотно-щелочное равновесие. Помогает тканям удерживать воду. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами калия («калиево-натриевый насос») Исхудание, слабость, выпадение волос, кишечные расстройства, судорожные сокращения мышц
Железо Участвует в производстве гемоглобина и дыхательных ферментов. Стимулирует кроветворение. Железодефицитная анемия и гипоксия. Головные боли, снижение памяти. Замедление умственного и физического развития у детей. Учащенное сердцебиение. Угнетение иммунитета. Увеличение риска развития инфекционных и опухолевых заболеваний.

Таблица 4. 1 (окончание)

Функция микроэлементв и ультрамикроэлементов в организме человека

Элементы Функция Недостаток
Йод Играет важную роль в образовании гормона щитовидной железы — тироксина. Нарушаются функции щитовидной железы, а при йододефиците меняется и ее структура — вплоть до развития зоба.
Хром Контролирует переработку сахаров и прочих углеводов, инсулиновый обмен. Повышение сахара в крови, нарушения усвоения глюкозы, при длительном дефиците может развиться диабет.
Медь Участвует в синтезе красных кровяных телец, коллагена (он отвечает за упругость кожи), обновлении кожных клеток. Способствует правильному усвоению железа. Анемия, нарушение пигментации волос и кожи, температура ниже нормы, психические расстройства.
Селен Замедляет процессы старения, укрепляет иммунитет. Является естественным антиоксидантом — защищает клетки от рака. Снижение иммунитета, ухудшение работы сердца
Цинк Помогает клеткам поджелудочной железы вырабатывать инсулин. Участвует в жировом, белковом и витаминном обмене, синтезе ряда гормонов. Стимулирует репродуктивную функцию у мужчин, общий иммунитет, сопротивляемость инфекциям. Задержка психомоторного развития у детей, облысение, дерматиты, снижение иммунитета и репродуктивной функции, раздражительность, депрессии.
Марганец Участвует в окислительных процессах, обмене жирных кислот и контролирует уровень холестерина. Нарушение холестеринового обмена, атеросклероз сосудов.
Молибден Стимулирует обмен веществ, помогает нормальному расщеплению жиров. Нарушения липидного (жирового) и углеводного обмена веществ, проблемы с пищеварением.
Фтор
Участвует в формировании твердых тканей зубов и зубной эмали. От него же во многом зависит крепость костей.
Хрупкость зубной эмали, воспалительные заболевания десен (например, пародонтит).
Кобальт Активирует ряд ферментов, усиливает производство белков, участвует в выработке витамина В12 и в образовании инсулина. Дефицит витамина В12, что ведет за собой нарушения обмена веществ.

Органические вещества

Органические соединения составляют в среднем 20–30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также жиры и ряд низкомолекулярных органических веществ – аминокислоты, простые сахара, нуклеотиды и т.д.

Полимеры – сложные разветвленные или линейные молекулы, при гидролизе распадающиеся до мономеров. Если полимер состоит из одного вида мономеров, то такой полимер называют гомополимером, если в состав полимерной молекулы входят различные мономеры – то это гетерополимер.

Если группа различных мономеров в полимерной молекуле повторяется – это регулярный гетерополимер, если нет повторения определенной группы мономеров – гетерополимер нерегулярный.

В составе клетки они представлены белками, углеводами, жирами, нуклеиновыми кислотами (ДНК и РНК) и аденозинтрифосфатом (АТФ).

Белки

 

Из органических веществ клетки по количеству и значению на первом месте стоят белки. Белки, или протеины (от греч. протос – первый, главный) – высокомолекулярные гетерополимеры, органические вещества и распадающиеся при гидролизе до аминокислот.

В состав простых белков (состоящих только из аминокислот) входят углерод, водород, азот, кислород и сера.

Часть белков (сложные белки) образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь – это сложные белки, содержащие помимо аминокислот еще и небелковую — простетическую группу. Она может быть представлена ионами металлов (металлопротеины — гемоглобин), углеводами (гликопротеины), липидами (липопротеины), нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеины).

Белки обладают огромной молекулярной массой: Один из белков – глобулин молока – имеет молекулярную массу 42000.

Белки представляют собой нерегулярные гетерополимеры, мономерами которых являются α-аминокислоты. В клетках и тканях обнаружено свыше 170 различных аминокислот, но в состав белков входит лишь 20 α-аминокислот.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты синтезироваться в организме, различают: заменимые аминокислоты – десять аминокислот, синтезируемых в организме и незаменимые аминокислоты – аминокислоты, которые в организме не синтезируются. Незаменимые аминокислоты должны поступать в организм вместе с пищей.

В зависимости от аминокислотного состава, белки бывают полноценными, если содержат весь набор незаменимых аминокислот и

неполноценными, если какие-то незаменимые аминокислоты в их составе отсутствуют.

Общая формула аминокислот приведена на рисунке. Все α-аминокислоты при α-атоме углерода содержат атом водорода, карбоксильную группу (-СООН) и аминогруппу (-NH2). Остальная часть молекулы представлена радикалом.

Аминогруппа легко присоединяет ион водорода, т.е. проявляет основные свойства. Карбоксильная группа легко отдает ион водорода – проявляет свойства кислоты. Аминокислоты являются амфотерными соединениями, так как в растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. В водных растворах аминокислоты существуют в разных ионных формах. Это зависит от рН раствора и от того, какая аминокислота: нейтральная, кислая или основная.

В зависимости от количества аминогрупп и карбоксильных групп, входящих в состав аминокислот, различают нейтральные аминокислоты, имеющие одну карбоксильную группу и одну аминогруппу, основные аминокислоты, имеющие в радикале еще одну аминогруппу и кислые аминокислоты, имеющие в радикале еще одну карбоксильную группу.

Пептиды – органические вещества, состоящие из небольшого количества остатков аминокислот, соединенных пептидной связью. Образование пептидов происходит в результате реакции конденсации аминокислот (рис. 4.6).

При взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, между ними возникает ковалентная азот-углеродная связь, которую называют пептидной. В зависимости от количества аминокислотных остатков, входящих в состав пептида, различают дипептиды, трипептиды, тетрапептиды и т.д. Образование пептидной связи может повторяться многократно. Это приводит к образованию полипептидов. Если полипептид состоит из большого количества остатков аминокислот, то его уже называют белком. На одном конце молекулы находится свободная аминогруппа (его называют N-концом), а на другом – свободная карбоксильная группа (его называют С-концом).

Структура белковой молекулы

Выполнение белками определенных специфических функций зависит от пространственной конфигурации их молекул, кроме того, клетке энергетически невыгодно держать белки в развернутой форме, в виде цепочки, поэтому полипептидные цепи подвергаются укладке, приобретая определенную трехмерную структуру, или конформацию. Выделяют 4 уровня пространственной организации белков.

Первичная структурабелка – последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, составляющей молекулу белка. Связь между аминокислотами – пептидная.

Первичная структура белковой молекулы определяет свойства молекул белка и ее пространственную конфигурацию. Замена всего лишь одной аминокислоты на другую в полипептидной цепочке приводит к изменению свойств и функций белка.

Например, замена в b-субъединице гемоглобина шестой глутаминовой аминокислоты на валин приводит к тому, что молекула гемоглобина в целом не может выполнять свою основную функцию – транспорт кислорода (в таких случаях у человека развивается заболевание – серповидноклеточная анемия).

Первым белком, у которого была выявлена аминокислотная последовательность, стал гормон инсулин. Исследования проводились в Кембриджском университете Ф.Сэнгером с 1944 по 1954 год. Было выявлено, что молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей (21 и 30 аминокислотных остатков), удерживаемых около друг друга дисульфидными мостиками. За свой кропотливый труд Ф.Сэнгер был удостоен Нобелевской премии.

Рис. 4.6. Первичное строение молекулы белка

Вторичная структура – упорядоченное свертывание полипептидной цепи в α-спираль (имеет вид растянутой пружины) и β-структра (складчатый слой). В α-спирали NH-группа данного остатка аминокислоты взаимодействует с СО-группой четвертого от нее остатка. Практически все «СО-» и «NН-группы» принимают участие в образовании водородных связей. Они слабее пептидных, но, повторяясь многократно, придают данной конфигурации устойчивость и жесткость. На уровне вторичной структуры существуют белки: фиброин (шелк, паутина), кератин (волосы, ногти), коллаген (сухожилия).

Третичная структура — укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающей в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков. Основную роль в образовании третичной структуры играют гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. В водных растворах гидрофобные радикалы стремятся спрятаться от воды, группируясь внутри глобулы, в то время как гидрофильные радикалы в результате гидратации (взаимодействия с диполями воды) стремятся оказаться на поверхности молекулы.

У некоторых белков третичная структура стабилизируется дисульфидными ковалентными связями, возникающими между атомами серы двух остатков цистеина. На уровне третичной структуры существуют ферменты, антитела, некоторые гормоны. По форме молекулы различают белки глобулярные и фибриллярные. Если фибриллярные белки выполняют в основном опорные функции, то глобулярные белки растворимы и выполняют множество функций в цитоплазме клеток или во внутренней среде организма.

Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами. Субъединицы удерживаются в молекуле исключительно при помощи нековалентных связей, в первую очередь водородных и гидрофобных.

Наиболее изученным белком, имеющим четвертичную структуру, является гемоглобин. Он образован двумя a-субъединицами (141 аминокислотный остаток) и двумя b-субъединицами (146 аминокислотных остатков).С каждой субъединицей связана молекула гема, содержащая железо. Многие белки с четвертичной структурой занимают промежуточное положение между молекулами и клеточными органеллами – например микротрубочки цитоскелета состоят из белка тубулина, состоящего из двух субъединиц. Трубочка удлиняется в результате присоединения димеров к торцу.

Если по каким-либо причинам пространственная конформация белков отклоняется от нормальной, белок не может выполнять свои функции

 

 

Рис. 4.7. Структуры молекул белка

Свойства белков

  1. Белки являются амфотерными соединениями, сочетают в себе основные и кислотные свойства, определяемые радикалами аминокислот. Различают кислые, основные и нейтральные белки. Способность отдавать и присоединять Н+ определяют буферные свойства белков, один из самых мощных буферов — гемоглобин в эритроцитах, поддерживающий рН крови на постоянном уровне.
  2. Есть белки растворимые, есть нерастворимые белки, выполняющие механические функции (фиброин, кератин, коллаген).
  3. Есть белки химически активные (ферменты), есть химически неактивные.
  4. Есть устойчивые к воздействию различных условий внешней среды и крайне неустойчивые. Внешние факторы (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация) могут вызывать нарушение структурной организации молекулы белка.
  5. Процесс утраты трехмерной конформации, присущей данной молекуле белка, называют денатурацией. Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Вместе с тем, денатурация не сопровождается разрушением полипептидной цепи.. Изменение пространственной конфигурации приводит к изменению свойств белка и, как следствие, делает невозможным выполнение белком свойственных ему биологических функций.
  6. Денатурация может быть: обратимой, процесс восстановления структуры белка после денатурации называется ренатурацией. Если восстановление пространственной конфигурации белка невозможно, то денатурация называется необратимой.
  7. Разрушение первичной структуры белковой молекулы называется деградацией.

 

Рис. 4.8. Денатурация и ренатурация белка

Функции белков

Белки выполняют в клетке разнообразные функции.

Функциональной активностью обладают белки с третичной структурной организацией, но в большинстве случаев только переход белков третичной организации в четвертичную структуру обеспечивает специфическую функцию.

Ферментативная функция

Все биологические реакции в клетке протекают при участии особых биологических катализаторов — ферментов, а любой фермент — белок, ферменты локализованы во всех органеллах клеток и не только направляют ход различных реакций, но и ускоряют их в десятки и сотни тысяч раз. Каждый из ферментов строго специфичен.

Так, распад крахмала и прев­ращение его в сахар (глюкозу) вызывает фермент амилаза, тростниковый сахар расщепляет только фермент инвертаза и т.д.

Многие ферменты давно уже применяют в медицинской, а также в пищевой (хлебопечение, пивоварение и др.) промышленности.

Ферменты специфичны – могут катализировать один тип реакций – в активный центр попадает определенная молекула субстрата.

Поскольку почти все ферменты являются белками (есть рибозимы, РНК, катализирующие некоторые реакции), их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях: большинство ферментов наиболее активно работает только при определенной температуре, рН, скорость зависит от концентрации фермента и субстрата.

При повышении температуры до некоторого значения (в среднем до 50°С) каталитическая активность растет (на каждые 10°С скорость реакции повышается примерно в 2 раза).

Структурная функция

Белки входят в состав всех мембран, окружающих и пронизывающих клетку, и органелл.

В соединении с ДНК белок составляет тело хромосом, а в соединении с РНК — тело рибосом.

Растворы низкомолекулярных белков входят в состав жидких фракций клеток.

Регуляторная функция

Некоторые белки являются гормонами — биологически активными веществами, выделяющиеся в кровь различными железами, которые принимают участие в регуляции процессов обмена веществ.

Гормоны инсулин и глюкагон регулирует уровень углеводов в крови.

Транспортная функция

Именно с белками связан перенос кислорода, а также гормонов в теле животных и человека (его осу­ществляет белок крови гемоглобин).

Двигательная функция

Все виды двигательных реакций клетки выполняются особыми сократительными белками актином и миозином, которые обус­ловливают сокращение мускулатуры, движение жгутиков и ресничек у простейших, перемещение хромосом при делении клетки, движение растений.

Защитная функция

Многие белки образуют защитный покров, предохраняющий организм от вредных воздействий, например рого­вые образования — волосы, ногти, копыта, рога. Это механическая защита. В ответ на внедрение в организм чужеродных белков (антиге­нов) в клетках крови вырабатываются вещества белковой природы (антитела), которые обезвреживают их, предохраняя организм от повреждающего действия. Это иммунологическая защита.

Энергетическая функция

Белки могут служить источником энергии. Расщепляясь до конечных продуктов распада — диоксида углерода, воды и азотсодержащих веществ, они выделяют энергию, необходимую для многих жизненных процессов в клетке 17,6 Кдж.

Рецепторная функция

Белки-рецепторы – встроенные в мембрану молекулы белков, способных изменять свою структуру в ответ на присоединение определенного химического вещества.

Запасающая функция

Эту функцию выполняют так называемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода, например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин) также выполняет главным образом питательную функцию.

Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ, регулирующих процессы метаболизма.

Токсическая функция

Токсины, токсичные вещества природного происхождения. Обычно к токсинам относят высокомолекулярные соединения (белки, полипептиды и др.), при попадании которых в организм происходит выработка антител.

По мишени действия токсины разделяют на следующие группы:

-гематические яды — яды, затрагивающие кровь.

-нейротоксины — яды, поражающие нервную систему и мозг.

-миоксичные яды — яды, повреждающие мышцы.

-гемотоксины — токсины, которые повреждают кровеносные сосуды и вызывают кровотечение.

-гемолитические токсины — токсины, которые повреждают эритроциты.

-нефротоксины — токсины, которые повреждают почки.

-кардиотоксины — токсины, которые повреждают сердце.

-некротоксины — токсины, которые разрушают ткани, вызывая их омертвление (некроз).

Ядовитые вещества фаллотоксины и аматоксины содержатся в различных видах: бледной поганке, мухоморе вонючем, весеннем.

 

Углеводы

Углеводы, или сахариды, — органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород, водород. Углеводы составляют около 1% массы сухого вещества в животных клетках, а в клетках печени и мышц — до 5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки (до 90% сухой массы).

Химический состав углеводов характеризуется их общей формулой Сm2О)n, где m≥n. Количество атомов водорода в молекулах углеводов, как правило, в два раза больше атомов кислорода (то есть как в молекуле воды). Отсюда и название — углеводы.

В растительных клетках их значительно больше, чем в животных. Углеводы содержат только углерод, водород и кислород.

К про­стейшим углеводам относятся простые сахара (моносахариды). Они содержат пять (пентозы) или шесть (гексозы) атомов углерода и столько же молекул воды.

Примерами моносахаридов могут служить глюкоза и фруктоза, находящиеся во многих плодах рас­тений. Кроме растений глюкоза входит также в состав крови.

Сложные углеводы состоят из нескольких молекул простых уг­леводов. Из двух моносахаридов образуется дисахарид.

Пищевой сахар (сахароза), например, состоит из молекулы глюкозы и мо­лекулы фруктозы.

Значительно большее число молекул простых уг­леводов входит в такие сложные углеводы, как крахмал, гликоген, клетчатка (целлюлоза).

В молекуле клетчатки, например, от 300 до 3000 молекул глюкозы.

Функции углеводов

Энергетическаяфункция

одна из основных функций углеводов. Углеводы (глюкоза) – основные источники энергии в животном организме. Обеспечивают до 67% суточного энергопотребления (не менее 50%). При расщеплении 1 г углевода выделяется 17,6 кДж, вода и углекислый газ.

Запасающаяфункция

выражается в накоплении крахмала клетками растений и гликогена клетками животных, которые играют роль источников глюкозы, легко высвобождая ее по мере необходимости.

Опорно-строительнаяфункция

Углеводы входят в состав клеточных мембран и клеточных стенок (целлюлоза входит в состав клеточной стенки растений, из хитина образован панцирь членистоногих, муреин образует клеточную стенку бактерий). Соединяясь с липидами и белками, образуют гликолипиды и гликопротеины. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав мономеров нуклеотидов.

Рецепторнаяфункция

Олигосахаридные фрагменты гликопротеинов и гликолипидов клеточных стенок выполняют рецепторную функцию, воспринимая сигналы, поступающие из внешней среды.

Защитная функция

Слизи, выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеинами). Они предохраняют пищевод, кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют проникновению в организм бактерий и вирусов.

Липиды

 

Липиды – сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики. Их объединяет то, что все они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензине).

Липиды содержатся во всех клетках животных и растений. Содержание липидов в клетках составляет до 5%, но в жировой ткани может иногда достигать 90%.

Различают простые и сложные липиды.

Простые липиды, представляют собой двухкомпонентные вещества, являющиеся сложными эфирами высших жирных кислот и какого-либо спирта, чаще – глицерина.

Сложные липиды состоят имеют многокомпонентные молекулы.

Из простых липидов рассмотрим жиры и воска.

Жиры широко распространены в природе. Жиры – это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта – глицерина. В химии эту группу органических соединений принято называть триглицеридами, так как все три гидроксильные группы глицерина связаны с жирными кислотами.

В составе триглицеридов обнаружено более 500 жирных кислот, молекулы которых имеют сходное строение.

Как и аминокислоты, жирные кислоты имеют одинаковую для всех кислот группировку – гидрофильную карбоксильную группу (–СООН) и гидрофобный радикал, которым они отличаются друг от друга. Поэтому общая формула жирных кислот имеет вид R-CООН. Радикал представляет собой углеводородный хвост, отличающийся у разных жирных кислот количеством группировок –СН2.

Большая часть жирных кислот содержит в «хвосте» четное число атомов углерода, от 14 до 22 (чаще всего 16 или 18). Кроме того, углеводородный хвост может содержать различное количество двойных связей. По наличию или отсутствию двойных связей в углеводородном хвосте различают насыщенные жирные кислоты, не содержащие в углеводородном хвосте двойных связей и ненасыщенные жирные кислоты, имеющие двойные связи между атомами углерода (-СН=СН-). Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то они твердые при комнатной температуре (жиры), если ненасыщенные – жидкие (масла). Плотность жиров ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают и находятся на поверхности.

Воска – группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов. Встречаются как в животном, так и в растительном царстве, где выполняют главным образом защитные функции.

У растений они, например, покрывают тонким слоем листья, стебли и плоды, предохраняя их от смачивания водой и проникновения микроорганизмов. От качества воскового покрытия зависят сроки хранения фруктов. Под покровом пчелиного воска хранится мед и развиваются личинки.

К сложным липидам относятся фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины, стероиды, стероидные гормоны, витамины А,D,E,K.

Фосфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты. Иногда с ней могут быть связаны добавочные группировки (азотистые основания, аминокислоты).

Как правило, в молекуле фосфолипидов имеется два остатка высших жирных и один остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя главным образом в формировании фосфолипидного бислоя клеточных мембран – остатки фосфорной кислоты гидрофильны и всегда направлены к внешней и внутренней поверхности мембраны, а гидрофобные хвосты направлены друг к другу внутри мембраны.

Гликолипиды – это углеводные производные липидов. В состав их молекул наряду с многоатомным спиртом и высшими жирными кислотами входят также углеводы. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.

Липопротеины – липидные молекулы, связанные с белками. Их очень много в мембранах, белки могут пронизывать мембрану насквозь, находится под- или над мембраной, могут быт погружены в липидный бислой на различную глубину.

Липоиды – жироподобные вещества. К ним относятся стероиды (широко распространенный в животных тканях холестерин и его производные – гормоны коры надпочечников – минералокортикоиды, глюкокортикоиды, эстрадиол и тестостерон – соответственно женский и мужской половые гормоны). К липоидам относятся терпены (эфирные масла, от которых зависит запах растений), гиббереллины (ростовые вещества растений), некоторые пигменты (хлорофилл, билирубин), жирорастворимые витамины (А, D, E, K ).

Функции липидов показаны в таблице 4.1.

Таблица 4.2.

Функции жиров

 

Энергетическая Основная функция триглицеридов. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж
Структурная Фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины принимают участие в образовании клеточных мембран.
Запасающая Жиры и масла являются резервным пищевым веществом у животных и растений. Важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания Масла семян растений необходимы для обеспечения энергией проростка.
Защитная Прослойки жира и жировые капсулы обеспечивают амортизацию внутренних органов. Слои воска используются в качестве водоотталкивающего покрытия у растений и животных.
Теплоизоляционная Подкожная жировая клетчатка препятствует оттоку тепла в окружающее пространство. Важно для водных млекопитающих или млекопитающих, обитающих в холодном климате.
Регуляторная Гиббереллины регулируют рост растений. Половой гормон тестостерон отвечает за развитие мужских вторичных половых признаков. Половой гормон эстроген отвечает за развитие женских вторичных половых признаков, регулирует менструальный цикл. Минералокортикоиды (альдостерон и др.) контролируют водно-солевой обмен. Глюкокортикоиды (кортизол и др.) принимают участие в регуляции углеводного и белкового обменов.
Источник метаболической воды При окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды. Важно для обитателей пустынь.
Каталитическая Жирорастворимые витамины A, D, E, K являются кофакторами ферментов, т. е., сами по себе эти витамины не обладают каталитической активностью, но без них ферменты не могут выполнять свои функции.

 

 

Рис. 9. Химическое строение липидов и углеводов

 

Аденозинтрифосфат (АТФ)

 

Входит в состав любой клетки, где он выполняет одну из важнейших функций — на­копителя энергии. Молекулы АТФ состоят из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты.

Не­устойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фос­форной кислоты в АТФ, очень богаты энергией (макроэргические связи): при разрыве этих связей энергия высвобождается и исполь­зуется в живой клетке для обеспечения процессов жизнедеятель­ности и синтеза органических веществ.

 

 

Рис. 4.10. Строение молекулы АТФ

4.4. Практическое задание


Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Роль химических элементов в организме человека


Роль макро, микроэлементов для человеческого организма велика. Ведь они принимают активное участие во многих жизненно важных процессах. На фоне дефицита того или иного элемента человек может столкнуться с появлением определенных заболеваний. Дабы избежать этого, необходимо понимать, для чего нужны макро и микроэлементы в человеческом организме, и какое их количество должно содержаться.

Что такое макро и микроэлементы

Все полезные и необходимые для организма вещества попадают в него благодаря продуктам питания, биологическим добавкам, призванным устранить дефицит определенных веществ. Поэтому к своему рациону необходимо отнестись предельно внимательно.

Перед тем как приступить к изучению функций микро и макроэлементов необходимо понимать их определение.

Так, макроэлементами принято считать соединения химических элементов или одиночные элементы, которые содержатся в организме в большом количестве, измеряемом граммами.

А значение микроэлементов отличается от макро количественными показателями. Ведь в данном случае химические элементы содержатся преимущественно в достаточно малом количестве.

Для того чтобы организм функционировал и в его работе не происходили сбои необходимо позаботиться о регулярном достаточном поступлении в него необходимых макро и микроэлементов. Информацию относительного этого можно рассмотреть на примере таблиц. Первая таблица наглядно продемонстрирует, какая суточная норма употребления тех или иных элементов является оптимальной для человека, а также поможет определиться с выбором всевозможных источников.


Данная таблица может быть использована в качестве наглядного примера и поможет сориентироваться при составлении меню. Таблица очень полезна и незаменима в случаях корректировки питания, вызванной возникновением заболеваний.

Роль химических элементов

Роль микроэлементов в организме человека, как и макроэлементов очень велика.

Многие люди даже не задумываются о том, что они принимают участие во многих обменных процессах, способствуют формированию и регулируют работу таких систем, как кровеносной, нервной.

Именно от химических элементов, которые содержит первая и вторая таблица, происходят значимые для жизни человека обменные процессы, к их числу можно отнести водно-солевой и кислотно-щелочной обмен. Это лишь небольшой перечень того, что получает человек.

Биологическая роль макроэлементов заключается в следующем:

  • Функции кальция заключаются в формировании костной ткани. Он принимает участие в формировании и росте зубов, отвечает за свертываемость крови. Если этот элемент не будет поступать в необходимом количестве, то привести такое изменение может к развитию рахита у детей, а также остеопороза, судорог.
  • Функции калия заключаются в том, что он обеспечивает водой клетки организма, а также принимает участие в кислотно-щелочном равновесии. Благодаря калию происходит синтез белка. Дефицит калия приводит к развитию многих заболеваний. К их числу можно отнести проблемы с желудком, в частности, гастрит, язва, сбой сердечного ритма, болезни почек, паралич.
  • Благодаря натрию удается держать на уровне осмотическое давление, кислотно-щелочной баланс. Ответственный натрий и за поставку нервного импульса. Недостаточное содержание натрия чревато развитием заболеваний. К их числу можно отнести судороги мышц, болезни, связанные с давлением.
  • Функции магния среди всех макроэлементов наиболее обширные. Он принимает участие в процессе формирования костей, зубов, отделении желчи, работе кишечника, стабилизации нервной системы, от него зависит слаженная работа сердца. Этот элемент входит в состав жидкости, содержащейся в клетках тела. Учитывая важность этого элемента, его дефицит не останется незамеченным, ведь осложнения, вызванные этим фактом, могут сказаться на желудочно-кишечном тракте, процессах отделения желчи, появлении аритмии. Человек ощущает хроническую усталость и нередко впадает в состояние депрессии, что может сказаться на нарушении сна.
  • Основной задачей фосфора является преобразование энергии, а также активное участие в формировании костной ткани. Лишив организм этого элемента можно столкнуться с некоторыми проблемами, например, нарушениями в формировании и росте кости, развитием остеопороза, депрессивного состояния. Дабы избежать всего этого, необходимо регулярно пополнять запасы фосфора.
  • Благодаря железу происходят окислительные процессы, ведь он входит в цитохромы. Нехватка железа может сказаться на замедлении роста, истощении организма, а также спровоцировать развитие анемии.


Биологическая роль химических элементов заключается в участии каждого из них в естественных процессах организма. Недостаточное их поступление может привести к сбою в работе всего организма. Роль микроэлементов для каждого человека неоценима, поэтому необходимо придерживаться суточной нормы их потребления, которую содержит приведенная выше таблица.

Так, микроэлементы в организме человека отвечают за следующее:

  • Йод необходим для щитовидки. Недостаточное его поступление приведет к проблемам с развитием нервной системы, гипотиреоза.
  • Такой элемент, как кремний, обеспечивает формирование костной ткани и мышц, а также входит в состав крови. Нехватка кремния может привести к чрезмерной слабости кости, в результате чего увеличивается вероятность получения травм. От дефицита страдает кишечник, желудок.
  • Цинк приводит к скорейшему заживлению ран, восстановлению травмированных участков кожи, входит в состав большинства ферментов. О его нехватке свидетельствует изменения вкуса, восстановления поврежденного участка кожи на протяжении длительного времени.
  • Роль фтора заключается в принятии участия в процессах формирования зубной эмали, костной ткани. Его нехватка приводит к поражению зубной эмали кариесом, затруднениям, возникшим в процессе минерализации.
  • Селен обеспечивает стойкую иммунную систему, принимает участие в функционировании щитовидки. Говорить о том, что в организме селен присутствует в недостающем количестве можно в случае, когда прослеживаются проблемы с ростом, формированием костной ткани, развивается анемия.
  • С помощью меди становится возможным перемещение электронов, ферментный катализ. Если содержание меди недостаточное, то может развиться анемия.
  • Хром принимает активное участие в обмене углеводов в организме. Его нехватка сказывается на изменении уровня сахара в крови, что нередко становится причиной развития диабета.
  • Молибден способствует переносу электронов. Без него возрастает вероятность поражения зубной эмали кариесом, появления нарушений со стороны нервной системы.
  • Роль магния заключается в принятии активного участия в механизме ферментного катализа.

Микро, макроэлементы, поступающие в организм вместе с продуктами, биологически активными добавками жизненно необходимы для человека, и свидетельствуют об их важности проблемы, заболевания, возникающие в результате их дефицита. Для того чтобы восстановить их баланс необходимо правильно подбирать питание, отдав предпочтение тем продуктам, которые содержат необходимый элемент.

Поделитесь с друзьями!

http://fitnesslair.ru

СОДЕРЖАНИЕ: Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми.

Ю. Н. Кукушкин, Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами.

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% — на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se.

Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция — 1700, калия — 250, натрия — 70, магния — 42, железа — 5, цинка — 3.

Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10-3-10-5%. Если содержание элемента ниже 10-5%, его считают ультрамикроэлементом. Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека

Суточное поступление, мг

Жизненно необходимые элементы

Несомненно, время внесет коррективы в современные представления о числе и биологической роли определенных химических элементов в организме человека. В данной статье мы будем исходить из того, что уже достоверно известно. Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Ca10(PO4)6(OH)2), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.

Микроэлементы вошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них — металлы, а из металлов больше половины являются d-элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы — ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид кривой доза (n) — ответная реакция (R, эффект) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для жизненно необходимых элементов

При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: все должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части — гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких — заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови — печень.

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Таблица 2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определенных функциональных групп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Их диаграмма доза — эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для примесных химических элементов До определенного содержания этих элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации они становятся ядовитыми.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк — сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие.

Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме играет весьма существенную, а порой и катастрофическую роль. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретитах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра — альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

В статье приведена Периодическая система, в которой охарактеризована биоактивность отдельных элементов [1]. Оценка основана на проявлении симптомов дефицита или избытка определенного элемента. Она учитывает следующие симптомы (в порядке возрастания эффекта): 1 — снижение аппетита; 2 — потребность в изменении диеты; 3 — значительные изменения состава тканей; 4 — повышенная повреждаемость одной или нескольких биохимических систем, проявляющаяся в специальных условиях; 5 — недееспособность этих систем в специальных условиях; 6 — субклинические признаки недееспособности; 7 — клинические симптомы недееспособности и повышенная повреждаемость; 8 — заторможенный рост; 9 — отсутствие репродуктивной функции. Крайней формой проявления дефицита или избытка элемента в организме является смертельный исход. Оценка биоактивности элемента сделана по девятибальной шкале в зависимости от характера симптома, для которого выявлена специфичность.

При такой оценке наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необходимые элементы. Например, элементы водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, марганец, железо и др. характеризуются суммой балов, равной 9.

Выявление биологической роли отдельных химических элементов в функционировании живых организмов (человека, животных, растений) — важная и увлекательная задача. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходящих все время в организме.

Усилия специалистов направлены на раскрытие механизмов проявления биоактивности отдельных элементов на молекулярном уровне (см. статьи Н.А. Улахновича «Комплексы металлов в живых организмах»: Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 8. С. 27-32; Д.А. Леменовского «Соединения металлов в живой природе»: Там же. № 9. С. 48-53). Нет сомнения, что в живых организмах ионы металлов находятся в основном в виде координационных соединений с «биологическими» молекулами, которые выполняют роль лигандов. В статье из-за ограниченности объема приведен материал, относящийся главным образом к организму человека. Выяснение роли металлов в жизнедеятельности растений, несомненно, окажется полезным для сельского хозяйства. Работы в этом направлении широко ведутся в лабораториях различных стран.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространенность не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены. Сознательное регулирование человеком содержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий также одна из важных задач, стоящих перед исследователями. Знания, полученные учеными в этом направлении, уже оформились в новую отрасль химической науки — бионеорганическую химию. Поэтому уместно напомнить слова выдающегося ученого XIX века А. Ампера: «Счастливы те, кто развивает науку в годы, когда она не завершена, но когда в ней уже назрел решительный поворот». Эти слова могут быть особенно полезны тем, кто стоит перед выбором профессии.

1. Ершов Ю.А. Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М. Медицина, 1989.

2. Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. Л. Химия, 1991.

3. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М. Высш. шк. 1992.

4. Лазарев Н.В. Эволюция фармакологии. Л. Изд-во Воен.-мед. акад. 1947.

5. Неорганическая биохимия. М. Мир, 1978. Т. 1, 2 / Под ред. Г. Эйхгорна.

6. Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О. Бокриса. М. Химия, 1982.

7. Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию. Киев: Наук. думка, 1973.

8. Kaim W. Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life. Chichester: JohnWileandSons, 1994. 401 p.

http://mirznanii.com


Минеральные вещества в зависимости от содержания в организме подразделяются на макро- и микроэлементы.
К макроэлементам. которые содержатся в больших количествах относятся кальций, фосфор, магний, калий, натрий, хлор, сера.
К микроэлементам. которые содержатся в очень незначительных концентрациях, но оказывают очень важное влияние на физико-химические процессы, относятся железо, медь, марганец, цинк, кобальт, йод, фтор, хром, молибден, ванадий, никель, стронций, кремний.
Длительный дефицит или избыток этих элементов ведет к нарушению обмена веществ и заболеваниям.

Функциональное значение различных химических элементов
  • Водород — входит в состав воды, различных химических соединений, белков, участвует в функциональных процессах.
  • Углерод — образует органическое вещества. Основной элемент живой жизни.
  • Азот — один из основных элементов живой жизни. Образует органические вещества, белки.
  • Кислород — дыхательный газ.
  • Фтор — необходим для костной ткани, особенно зубной. При дефиците — поражение зубов, кариес.
  • Натрий — образует все межтканевые и клеточные жидкости. В растворах солей натрия происходят химические реакции, основные обменные процессы, водный обмен.
  • Магний — углеводный, жировой, энергетический обмен, костеобразование, нервная деятельность, сердечная деятельность, снимает спазмы, увеличивает активность кишечника.
  • Кремний — костеобразование, рост волос.
  • Фосфор — все процессы. Энергетика тканей (особенно мозговой), мышц, печени, почек, костеобразование, генетические процессы.
  • Сера — синтез белка, функция ферментов.
  • Хлор — регуляция минерального обмена, образование соляной кислоты желудка.
  • Калий — обменные реакции, водный обмен, необходим для функции мышц, сердца.
  • Кальций — формирует костную ткань, возбудимость нервной ткани, свертываемость крови, проницаемость сосудов, формирует мембраны клеток, активирует ферменты (биологические катализаторы), противовоспалительные реакции, уменьшает аллергию.
  • Марганец — синтез белка.
  • Железо — необходимо для кровотворения и тканевого дыхания. Входит в состав красных кровяных клеток, доставляющих кислород к тканям, в состав ферментов.
  • Кобальт — синтез белка, в состав витамина В12, обеспечивает процессы кровотворения.
  • Медь — процессы кровотворения, синтез белка.
  • Цинк — необходим для эндокринной системы. Образование гормона инсулина. Обеспечивает тканевое дыхание, рост волос.
  • Стронций — костеобразование. Его переизбыток ведет к стронциевому рахиту (особенно у детей)
  • Молибден — кровотворение.
  • Йод — гормоны щитовидной железы. Нехватка приводит к заболеванию щитовидки (в Тамбовской воде мало йода).
Некоторые понятия медицинской токсикологии

Токсикология изучает острые и хронические отравления. Гигиеническая токсикология посвящена опасности химических веществ разрабатывает способы защиты. Имеет экологическую направленность.

Кумуляция яда (хим. соединения) — т. е. накопление в организме при употреблении очень незначительных количеств, но длительное время. Говоря проще, пргоисходит хроническое отравление с развитием соответствующих симптомов. Наряду с тем, что может накапливаться химическое вещество, могут накапливаться патологические изменения.
Приспособление организма к химическому соединению называется адаптацией .
Понижение чувствительности организма к хим. веществу обозначается как привыкание .
Мутагенное воздействие — изменение в генетическом материале (мутации).
Тератогенное действие — появление уродств.
Канцерогенное действие — развитие опухолей.

Особенности хронического отравления соединениями тяжелых металлов

К тяжелым металлам относятся более 40 элементов с большой атомной массой и плотностью более 6,0. Основные представители это ртуть . медь . кадмий . золото . железо . свинец . цинк . мышьяк . Элементы в основном в виде солей. Особенно большие накопления этих соединений возможны около промышленных зон, автомобильных дорог, проникают в грунтовые воды. Соединения тяжелых металлов могут длительно откладываться в различных органах. Длительно задерживаются в печени и почках. Выделяются почками, печенью (желчь), кишечником, слюнными железами. Как правило эти органы повреждаются.

Самое распространенное отравление — ртутью. Признаки — утомляемость, головная боль, дрожание рук, поражение периферической нервной системы, поражение слизистых, хронические заболевания бронхов и легких.
Профилактика — прекращение поступления соединений в организм. Мероприятия связанные с улучшением экологии, информация населения, применение индивидуальных средств защиты.

Более полную информацию можете получить на сайте www.water.ru

Общие сведения о воде

http://ecoflash.narod.ru

healthwill.ru

Биологическая роль химических элементов и минеральных веществ

Общие сведения

Минеральные вещества (минералы) — природные вещества, приблизительно однородные по химическому составу и физическим свойствам, входящие в состав горных пород, руд, метеоритов (от латинского minera — руда).

Минеральные вещества наряду с белками, жирами, углеводами и витаминами являются жизненно важными компонентами пищи человека, необходимыми для построения структур живых тканей и осуществления биохимических и физиологических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма. Минеральные вещества участвуют в важнейших обменных процессах организма: водно-солевом и кислотно-щелочном. Многие ферментативные процессы в организме невозможны без участия тех или иных минеральных веществ.

Организм человека получает эти элементы из окружающей среды, пищи и воды.

Количественное содержание того или иного химического элемента в организме определяется его содержанием во внешней среде, а также свойствами самого элемента, с учетом растворимости его соединений.

Впервые научные основы учения о микроэлементах в нашей стране обосновал В. И. Вернадский (1960). Фундаментальные исследования были проведены А.П. Виноградовым (1957) — основоположником учения о биогеохимических провинциях и их роли в возникновении эндемических заболеваний человека и животных и В.В. Ковальским (1974) — основоположником геохимической экологии и биогеографии химических элементов.

В настоящее время из 92 встречающихся в природе элементов 81 химический элемент обнаружен в организме человека.

Минеральные вещества составляют значительную часть человеческого тела по массе (в среднем, в организме около 3 кг золы). В костях минеральные вещества представлены в виде кристаллов, в мягких тканях — в виде истинного либо коллоидного раствора в соединении главным образом с белками. Для наглядности можно привести такой пример: в организме взрослого человека содержится около 1 кг кальция, 0,5 кг фосфора, по 150 г калия, натрия и хлора, 25 г магния, 4 г железа.

  • Классификация химических элементов
    • Классификация химических элементов по их биологической значимости. Все химические элементы можно разбить на группы:
      • 12 структурных элементов, это углерод, кислород, водород, азот, кальций, магний, натрий, калий, сера, фосфор, фтор и хлор.
      • 15 эссенциальных (жизненно необходимых) элементов — железо, йод, медь, цинк, кобальт, хром, молибден, никель, ванадий, селен, марганец, мышьяк, фтор, кремний, литий.
      • 2 условно-необходимых элемента — бор и бром.
      • 4 элемента являются серьезными «кандидатами на необходимость» — кадмий, свинец, алюминий и рубидий.
      • Остальные 48 элементов менее значимы для организма.
       
    • Классификация химических элементов, основанная на количественной оценке их содержания в организме человека Традиционно все минеральные вещества делят на две группы по содержанию их в организме человека.
      • Макроэлементы.

        Содержатся в организме в больших количествах, от нескольких грамм до сотен грамм. Входят в состав основных тканей — костей, крови, мышц. К макроэлементам относятся: натрий, калий, кальций, фосфор, железо, магний, хлор, сера.

      • Микроэлементы.

        Концентрация микроэлементов в организме невелика. В организме их содержатся количества измеряемые миллиграммами или микрограммами. Микроэлементы — это те минералы, оцениваемая диетическая потребность которых обычно менее чем 1 мкг/г и часто менее чем 50 нг/г рациона для лабораторных животных и человека.

        Несмотря на малую потребность, эти элементы входят в состав ферментных систем как коферменты (активаторы и катализаторы биохимических процессов). В группу микроэлементов входят: цинк, йод, фтор, кремний, хром, медь, марганец, кобальт, молибден, никель, бор, бром, мышьяк, свинец, олово, литий, кадмий, ванадий и другие вещества.

       
     
  • Влияние минеральных веществ на организм человека.

    Минеральные вещества не обладают энергетической ценностью, как белки, жиры и углеводы. Однако без них жизнь человека невозможна. Так же, как и при недостатке основных пищевых веществ или витаминов, при дефиците минеральных веществ в организме человека возникают специфические нарушения, приводящие к характерным заболеваниям.

    Микроэлементы и витамины в некотором смысле даже более важны, чем питательные вещества, ибо без них последние не будут правильно усваиваться организмом.

    Особенно важны минеральные вещества детям, в период интенсивного роста костей, мышц, внутренних органов. Естественно, беременные женщины и кормящие матери нуждаются в повышенном потреблении минеральных веществ. С возрастом потребность в минеральных веществах снижается.

    • Дефицит и избыток потребления минеральных веществ

      Влияние микро- и макроэлементов на жизнедеятельность животных и человека активно изучается и в медицинских целях. Любая патология, любое отклонение в здоровье биологического организма сопровождается либо дефицитом жизненно необходимых (эссенциальных) элементов, либо избытком как эссенциальных, так и токсичных микроэлементов. Такой дисбаланс макро- и микроэлементов получил объединяющее название «микроэлементозы».

      Начиная с 1970-х годов было много спекулятивных заявлений относительно того, что недостаток микроэлементов вносит значительный вклад в возникновение ряда хронических заболеваний. Во многих случаях это утверждение было экспериментально подтверждено, однако некоторые ученные и сегодня считают, что недостаточное потребление определенного микроэлемента является значимым только тогда, когда организм подвергается стрессу, который увеличивает потребность в данном микроэлементе.

      Химические вещества при всей своей важности и необходимости для организма человека способны оказывать и отрицательное влияние на растения, животных и человека, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Кадмий, олово, свинец и рубидий считаются условно необходимыми, т.к. они, по всей видимости, не очень важны для растений и животных и опасны для здоровья человека даже при относительно низких концентрациях. Биологическая роль некоторых микроэлементов в настоящее время не достаточно изучена.

      Необходимо помнить об определенных предосторожностях при употреблении минеральных комплексов (как лекарственных препаратов, так и биологически активных добавок к пище).

      Передозировка одного минерального вещества может привести к функциональным нарушениям и повышенному выделению другого минерального вещества. Возможно и развитие нежелательных побочных эффектов. Например, избыток цинка ведет к снижению уровня холестеринсодержащих липидов высокой плотности («хорошего» холестерина).

      Избыток кальция может привести к недостатку фосфора, и наоборот.

      Избыток молибдена уменьшает содержание меди.

      Некоторые микроэлементы (селен, хром, медь) в избыточных дозах токсичны. Особенно это относится к солям многих металлов.

      При потреблении минеральных веществ, следует строго придерживаться медицинских рекомендаций.

       
    • Действие на организм человека тяжелых металлов

      В последние годы выделяют отдельно действие на организм человека тяжелых металлов. Тяжелые металлы — это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40.

      Появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов.

      Однако в группу «тяжелых» вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

      «Тяжелые» металлы — это свинец, кадмий, цинк, медь, никель, хром.

      В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства «тяжелых» металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания их в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека.

      Влияние «тяжелых» металлов на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых, химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды.

      Уже сейчас во многих регионах мира окружающая среда становится все более «агрессивной» с химической точки зрения. В последние десятилетия основными объектами биогеохимических исследований стали территории промышленных городов и прилегающих к ним земель, особенно если на них выращиваются, а затем используются в пищу сельскохозяйственные растения.

       
     

Современные научные данные о биологической роли изученных химических элементах, их метаболизме в организме человека, суточных нормах потребления, содержании химических веществ в продуктах питания представлены в отдельных статьях, описывающих каждый химический элемент. В статьях представлены также данные о дефицитных состояниях, развивающихся при недостаточном потреблении данных химических веществ, а также реакция организма на избыточное потребление нутриентов.


  • Макроэлементы  
  • Микроэлементы  
  • Структурные элементы  
  • Эссенциальные (жизненно необходимые) элементы  
  • Условно-необходимые элементы  
  • Элементы — «Кандидаты на необходимость»  
  • Другие химические элементы  

 

www.smed.ru

Химические элементы в организме человека

То, что человек ест каждый день и пьет, способствует поступлению в его организм почти всех химических элементов. Так, сегодня часть из них есть в нас, завтра – уже нет. Самое интересное, что научные исследования доказали: количество и соотношение таких элементов в здоровом организме различных людей почти одинаковы.

Значение и роль химических элементов в организме человека

Стоит отметить, что все химические элементы можно разделить на две группы:

  1. Микроэлементы. Их содержание в организме небольшое. Этот показатель может достигнуть лишь нескольких микрограмм. Несмотря на небольшую концентрацию, они участвуют в важных для организма биохимических процессах. Если говорить об этих химических элементах более детально, то к ним относятся следующие: бром, цинк, свинец, молибден, хром, кремний, кобальт, мышьяк и многие другие.
  2. Макроэлементы. Они, в отличие от предыдущего вида, содержатся в нас в большом количестве (вплоть до сотен грамм) и входят в состав мышечной и костной ткани, а также крови. К этим элементам относят кальций, фосфор, натрий, калий, серу, хлор.
  3. Несомненно, в большинстве случаев химические элементы оказывают положительное влияние на организм человека, но это возможно, скажем так, при золотой середине. В случае передозировки любого вещества возникают функциональные нарушения, происходит повышенная выработка другого элемента. Так, переизбыток кальция приводит к дефициту фосфора, а молибдена – меди. Мало того, большое количество некоторые микроэлементов (хрома, селена) может оказывать токсичное воздействие на организм. Не зря говорят, что прежде чем принимать какие-либо витамины, важно проконсультироваться с врачом.

Биологическая роль химических элементов в организме человека

Всем известно, что в нас находится почти вся периодическая система химических элементов. И здесь речь идет не только о тех веществах, которые оказывают положительное воздействие на организм. Так, мышьяк – это сильнейший яд. Чем больше его в организме, тем быстрее происходят нарушения в сердечно-сосудистой системе, печени, почках. Но при этом ученые доказали, что в небольшой концентрации он повышает устойчивость организма к всевозможным заболеваниям.

Если говорить о содержании железа, то для отменного самочувствия в день нужно потреблять 25 мг этого химического элемента. Его нехватка провоцирует возникновение анемии, а переизбыток – сидерозом глаз и легких (отложение соединений железа в тканях данных органов).

 

womanadvice.ru

5.4. Биологическая роль химических элементов организме.

Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.

Главная функция макроэлементов состоит в построении тка­ней, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава.

Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витами­нов, биологически активных веществ в качестве комплексообра-зователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, про­цессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токси­ческих веществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления — восстановления, проницаемость со­судов и тканей. Макро- и микроэлементы — кальций, фосфор,, фтор, иод, алюминий, кремний — определяют формирование костной и зубной тканей.

Имеются данные, что содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Так, содержание кад­мия в почках и молибдена в печени к старости повышается. Максимальное содержание цинка наблюдается в период полово­го созревания, затем оно понижается и в старости доходит до минимума. Уменьшается с возрастом и содержание других мик­роэлементов, например ванадия и хрома.

Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избыточным накоплением различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит иода — эндемический зоб, избыток молибдена — эндемическую подагру. Такого рода зако­номерности связаны с тем, что в организме человека поддержи­вается баланс оптимальных концентраций биогенных элемен­тов — химический гомеостаз. Нарушение этого баланса вслед-

ствие недостатка или избытка элемента может приводить к раз­личным заболеваниям

Кроме шести основных макроэлементов — органогенов — угле­рода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора, из которых состоят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нор­мального питания человека и животных необходимы «неоргани­ческие» макроэлементы — кальций, хлор, магний, калий, нат­рий — и микроэлементы — медь, фтор, иод, железо, молибден, цинк, а также, возможно (для животных доказано), селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.

Анализ содержания и соотношения микроэлементов в орга­низме человека находит применение и в судебно-медицинской экспертизе. Например, в случае алкогольного отравления под влиянием этилового спирта в печени повышается содержание кальция, а натрия и калия становится меньше. При этом в серд­це и почках, наоборот, содержание кальция снижается.

Недостаток в пищевом рационе таких элементов, как железо, медь, фтор, цинк, иод, кальций, фосфор, магний и некоторых других, приводит к серьезным последствиям для здоровья чело­века.

Однако необходимо помнить, что для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Например, при по­ступлении избытка марганца с пищей в плазме повышается уро­вень меди (синергизм Мп и Си), а в почках он снижается (анта­гонизм). Повышение содержания молибдена в продуктах пита­ния приводит к увеличению количества меди в печени. Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм 2п и Ре).

Минеральные компоненты, которые в ничтожно малых коли­чествах являются жизненно необходимыми, при более высоких концентрациях становятся токсичными.

Жизненная необходимость, дефицит, токсичность химическо­го элемента представлены в виде кривой зависимости «Концент­рация элемента в пищевых продуктах — реакция организма» (рис. 5.5). Приблизительно горизонтальный участок кривой (пла­то) описывает область концентраций, соответствующих опти­мальному росту, здоровью, воспроизведению. Большая протя­женность плато указывает не только на малую токсичность эле­мента, но также на большую способность организма к адаптации по отношению к значительным изменениям содержания этого элемента. Наоборот, узкое плато свидетельствует о значительной токсичности элемента и резком переходе от необходимых орга­низму количеств к опасным для жизни. При выходе за плато (увеличение концентрации микроэлемента) все элементы стано­вятся токсичными. В конечном счете существенное увеличение концентрации микроэлементов может привести к летальному исходу.

Ряд элементов (серебро, ртуть, свинец, кадмий и др.) счи-

таются токсичными, так как попадание их в организм уже в мик­роколичествах приводит к тяжелым патологическим явлениям. Химический механизм токсического воздействия некоторых мик­роэлементов будет рассмотрен ниже.

Биогенные элементы нашли широкое применение в сельском хозяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микро­элементов — бора, меди, марганца, цинка, кобальта, молибде­на — резко повышает урожайность многих культур. Оказывается, что микроэлементы, увеличив активность ферментов в растениях, способствуют синтезу белков, витаминов, нуклеиновых кислот, Сахаров и крахмала. Некоторые из химических элементов поло­жительно действуют на фотосинтез, ускоряют рост и развитие растений, созревание семян. Микроэлементы добавляют в корм животным, чтобы повысить их продуктивность.

Широко используют различные элементы и их соединения в качестве лекарственных средств.

Таким образом, изучение биологической роли химических элементов, выяснение взаимосвязи обмена этих элементов и дру­гих биологически активных веществ — ферментов, гормонов, ви­таминов — способствует созданию новых лекарственных препара­тов и разработке оптимальных режимов их дозирования как с лечебной, так и с профилактической целью.

studfiles.net

Химические элементы в организме человека — Библиотека

Авторы: Кукушкин Ю.Н.

Введение

Многим химикам известны крылатые слова,сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались всё более точные методы аналитического определения химических элементов, учёные всё больше убеждались в справедливости этих слов.

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека
Химический
элемент
Суточное поступление, мг
взрослые дети
K
Na
Ca
Mg
Zn
Fe
Mn
Cu
Mo
Cr
Co
Cl
PO43–
SO42–
I
Se
F
2000-5500
1100–3300
800–1200
300–400
15
10–15
2,0–5,0
1,5–3,0
0,075–0,250
0,05–0,2
Около 0,2 (витамин В12 )
3200
800-1200
10
0,15
0,05–0,07
1,5–4,0
530
260
420
60
5
7,0
1,3
1,0
0,06
0,04
0,001
470
210

0,07

0,6

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определённом уровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.

Предположения некоторых учёных идут дальше.Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определённую биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль всё большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% — на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нём содержится (в граммах): кальция — 1700, калия — 250, натрия — 70, магния — 42, железа — 5, цинка — 3. Учёные договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10 –2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10 –3 –10 –5 % Если содержание элемента ниже 10 –5 %,, его считают ультрамикроэлементом. Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Жизненно необходимые элементы

Несомненно, время внесёт коррективы в современные представления о числе и биологической роли определённых химических элементов в организме человека. В данной статье мы будем исходить изтого, что уже достоверно известно. Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Ca10(PO4)6(OH)22), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.

Рис. 1. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для жизненно необходимых элементов.

Микроэлементы вошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них — металлы, а из металлов больше половины являются d-элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы — ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид кривой доза (n) — ответная реакция (R, эффект) (рис. 1).

При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастаети достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: всё должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части — гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как ещё в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и лёгких — заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови — печень.

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение лёгких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят её обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Таблица 2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека
Дефицит
элемента
Типичный симптом
Ca
Mg
Fe
Zn

Cu

Mn
Mo

Co
Ni
Cr
Si
F
I

Se

Замедление роста скелета
Мускульные судороги
Анемия, нарушение иммунной системы
Повреждение кожи, замедление роста,
замедление сексуального созревания
Слабость артерий, нарушение деятельности
печени, вторичная анемия
Бесплодность, ухудшение роста скелета
Замедление клеточного роста,
склонность к кариесу
Злокачественная анемия
Учащение депрессий, дерматиты
Симптомы диабета
Нарушение роста скелета
Кариес зубов
Нарушение работы щитовидной железы,
замедление метаболизма
Мускульная (в частности, сердечная) слабость

Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в паре. Надёжно установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии — неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри её. Наличие градиента концентраций калия и натрия — экспериментально установленный факт. Теперь исследователей волнует вопрос о природе калий-натриевого насоса и его функционировании (см. статьи В.А. Опритова Электричество в жизни животных и растений: Соросовский Образовательный Журнал.1996. № 9. С. 40–46; В.Ф. Антонова Биофизикамембран: Там же. 1997. № 6. С. 14–20). Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клеток падает. При наступлении смерти концентрации калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравниваются.

Биологическая функция других щелочных металлов в здоровом организме пока неясна. Однако имеются указания, что введением в организм ионов лития удаётся лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза. Приведём табл. 2, из которой видна важная роль других жизненно необходимых элементов.

Примесные элементы

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжёлых, являющихся ядами для живых организмов, — они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Таблица 3. Расположение токсических элементов в периодах и группах системы Д.И. Менделеева
Период Группа
VIII I II III IV V VI
II Be
IV Ni As Se
V Pd Ag Cd Sb Te
VI Pt Au Ba
Hg
Tl Pb Bi

За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определённых функциональныхгрупп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Их диаграмма доза — эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми (рис. 2). До определённого содержания этих элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации они становятся ядовитыми.

Встречаются элементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк — сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие.

Рис. 2. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для примесных химических элементов.

Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме играет весьма существенную, а порой и катастрофическую роль. Среди примесных элементов имеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевого пузыря, при хронических циститах и уретитах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1–0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также в качестве глазных капель. Учёные считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра — альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

В табл. 4 приведена Периодическая система, в которой охарактеризована биоактивность отдельных элементов [1]. Оценка основана на проявлении симптомов дефицита или избытка определённого элемента. Она учитывает следующие симптомы (в порядке возрастания эффекта): 1 — снижение аппетита; 2 — потребность в изменении диеты; 3 — значительные изменения состава тканей; 4 — повышенная повреждаемость одной или нескольких биохимических систем, проявляющаяся в специальных условиях; 5 — недееспособность этих систем в специальных условиях; 6 — субклинические признаки недееспособности; 7 — клинические симптомы недееспособности и повышенная повреждаемость; 8 — заторможенный рост; 9 — отсутствие репродуктивной функции. Крайней формой проявления дефицита или избытка элемента в организме является смертельный исход. Оценка биоактивности элемента сделана по девятибальной шкале в зависимости от характера симптома, для которого выявлена специфичность.

При такой оценке наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необходимые элементы.

Таблица 4. Суточное поступление химических элементов в организм человека
IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA
H
9
He
Li
4
Be B C
9
N
9
O
9
F
6
Ne
Na
9
Mg
9
Al Si
7
P
9
S
9
Cl
9
Ar
K
9
Ca
9
Sc
3
Ti
1
V
8
Cr
8
Mn
9
Fe
9
Co
9
Ni
8
Cu
9
Zn
9
Ga
1
Ge
1
As
2
Se
8
Br Kr
Rb
2
Sr
5
Y
1
Zr Nb
3
Mo
9
Te Ru Rh Pd Ag
1
Cd
1
In Sn
6
Sb
1
Te I
9
Xe
Cs Ba
2
La
3
Hf Ta W Re Os Ir Pt Au
1
Hg
1
Tl
1
Pb
1
Bi Po At Rn
Fr Ra Ac
Ce
1
Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy
1
Ho
1
Er Tm Yb Lu
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lo
Заключение

Выявление биологической роли отдельных химических элементов в функционировании живых организмов (человека, животных, растений) — важная и увлекательная задача. Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты при катализе химических реакций, происходящих всё время в организме.

Усилия специалистов направлены на раскрытие механизмов проявления биоактивности отдельных элементов на молекулярном уровне (см. статьи Н.А. Улахновича Комплексы металлов в живых организмах: Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 8. С. 27–32; Д.А. Леменовского Соединения металлов в живой природе: Тамже. № 9. С. 48–53). Нет сомнения, что в живых организмах ионы металлов находятся в основном в виде координационных соединений с биологическими молекулами, которые выполняют роль лигандов. В статье из-за ограниченности объёма приведён материал, относящийся главным образом к организму человека. Выяснение роли металлов в жизнедеятельности растений, несомненно, окажется полезным для сельского хозяйства. Работы в этом направлении широко ведутся в лабораториях различных стран.

Весьма интересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов для функционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что их распространённость не является решающим фактором. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможности растений в данном процессе ограничены. Сознательное регулирование человеком содержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий также одна из важных задач, стоящих перед исследователями. Знания, полученные учёными в этом направлении, уже оформились в новую отрасль химической науки — бионеорганическую химию. Поэтому уместно напомнить слова выдающегося учёного XIX века А. Ампера: Счастливы те, кто развивает науку в годы, когда она не завершена, но когда в ней уже назрел решительный поворот. Эти слова могут быть особенно полезны тем, кто стоит перед выбором профессии.

Литература
    1.Ершов Ю.А., Плетенёва Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. М.: Медицина, 1989.
    2.Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. Л.:Химия, 1991.
    3.Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М.: Высш. шк.,1992.
    4.Лазарев Н.В. Эволюция фармакологии. Л.: Изд-воВоен.-мед. акад., 1947.
    5. Неорганическая биохимия. М.: Мир, 1978. Т. 1, 2 /Под ред. Г. Эйхгорна.
    6. Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О. Бокриса. М.: Химия, 1982.
    7.Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию. Киев: Наук. думка, 1973.
    8.Kaim W., Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements in the Chemistry of Life. Chichester: JohnWile and Sons, 1994. 401 p.

Об авторе:
Юрий Николаевич Кукушкин
, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой неорганической химии Санкт-Петербургского государственного технологического института, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии им. Л.А. Чугаева АН СССР, академик РАЕН. Область научных интересов — координационная химия и химия платиновых металлов. Автор и соавтор более 600 научных статей, 14 монографий, учебников и научно-популярных книг, 49 изобретений.

опубликовано 03/12/2009 11:55
обновлено 13/05/2011

lib.komarovskiy.net

Химические элементы в организме человека

Ю. Н. Кукушкин, Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Для организма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов, без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненно необходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах не сказываются на функционировании организма, но при определенном содержании являются ядами.

Введение

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.

Предположения некоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определенную биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% — на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se.

Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция — 1700, калия — 250, натрия — 70, магния — 42, железа — 5, цинка — 3.

Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10-3-10-5%. Если содержание элемента ниже 10-5%, его считают ультрамикроэлементом. Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека

Жизненно необходимые элементы

Несомненно, время внесет коррективы в современные представления о числе и биологической роли определенных химических элементов в организме человека. В данной статье мы будем исходить из того, что уже достоверно известно. Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальция Ca10(PO4)6(OH)2), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.

Микроэлементы вошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них — металлы, а из металлов больше половины являются d-элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы — ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид кривой доза (n) — ответная реакция (R, эффект) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для жизненно необходимых элементов

При малом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Он функционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: все должно быть в меру и очень мало и очень много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части — гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких — заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови — печень.

Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Таблица 2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Биологическая функция других щелочных металлов в здоровом организме пока неясна. Однако имеются указания, что введением в организм ионов лития удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза. Приведем табл. 2, из которой видна важная роль других жизненно необходимых элементов.

Примесные элементы

Имеется большое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядами для живых организмов, — они оказывают неблагоприятное биологическое воздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Таблица 3.

За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана с блокированием определенных функциональных групп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, например меди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Их диаграмма доза — эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми (рис. 2).

mirznanii.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *