Биологическая роль микроэлементов в клетке. Химические элементы в клетках живых организмов. Химические элементы в организме человека

Биологическая роль химических элементов в живых организмах

1. Макро и микроэлементы в среде и организме человека

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.

Химические элементы и живые существа

Как указано выше, живые существа состоят из множества химических элементов. Следует отметить, что наиболее часто встречающимися в живых организмах являются углерод, кислород и кислород, которые составляют 90% живого вещества. Эти четыре элемента являются компонентами некоторых биологических молекул, таких как углеводы, белки и белки. Другие элементы, такие как фосфор, сера, кальций и калий, встречаются в меньших количествах.

Углерод является четвертым по численности элементом во Вселенной и является основой жизни на планете Земля. Как объяснялось в предыдущем разделе, все живые существа состоят из углерода. Этот элемент имеет молекулярную структуру, которая позволяет создавать различные ссылки с несколькими элементами, что является преимуществом.

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

Углерод циркулирует через землю, океан и землю, создавая так называемый углеродный цикл. Цикл углерода относится к процессу рециркуляции этого элемента. Животные потребляют глюкозу во время метаболизма пищи и дыхания. Эта молекула сочетается с кислородом, образуя углекислый газ, воду и энергию, которая выделяется в виде тепла.

Химическая реакция фотосинтеза

Животные не нуждаются в углекислом газе, поэтому они выпускают его в атмосферу. С другой стороны, растения могут использовать этот газ через процесс под названием. Этот процесс требует наличия трех элементов.

Углекислый газ, который поступает в растения через устьица в листьях.
Вода, которая поглощается благодаря корням растений.
Солнечная энергия, которая захватывается хлорофиллом.
Освободите кислород во время легкой фазы фотосинтеза.
Они синтезируют углеводы, такие как глюкоза, во время темной фазы фотосинтеза.

Животные захватывают кислород и потребляют глюкозу растений, и поэтому цикл начинается снова.

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.

Влияние других элементов растений, животных и прокариот

Биохимия - это исследование компонентов живой материи, ее реакций и ее связи с окружающей средой.

Периодическая таблица: атомы, элементы и изотопы - Миссия Бытия.
«Кирпичи» для строительства живых организмов.

Химические элементы Периодическая таблица.

Дмитрий Иванович Менделеев был русским химиком, которому приписывают создание первой версии периодической таблицы. Во время написания своей работы «Принципы химии» и попытки группировки элементов в соответствии с их химическими свойствами нашли общие характеристики. Химические элементы, составляющие клетки, базовые единицы всех живых организмов, равны 24 и присутствуют в большей или меньшей степени. Водород, кислород, углерод и азот составляют более 99% атомов в организме человека. Эти элементы являются самыми легкими, способными образовывать такие связи - более прочную связь. В ионе это число отличается. Из них «неспаренные» электроны являются частицами, ответственными за свойства, о которых свидетельствуют элементы.

Он сгруппировал элементы в том, что он назвал Периодической таблицей.
В настоящее время Периодическая таблица содержит 117 элементов.
Это число все еще открыто.
Таблица организована группами и периодами.
Атомное число - количество протонов, присутствующих в ядре.
Массовое число - сумма числа протонов и количества нейтронов.
Нейтроны и протоны являются ядерными частицами.
Электроны распределяются по уровням энергии вокруг ядра.
В атоме его число равно числу протонов.
Валансные электроны - это электроны самого внешнего слоя атома.

Молекулы жизни Биомолекулы.

Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избыточным накоплением различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит йода - 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 вследствие недостатка или избытка элемента может приводить к различным заболеваниям.

Это связано с большой универсальностью этого элемента для формирования очень стабильных ковалентных связей с различными типами геометрии. Некоторые видеоролики иллюстрируют универсальность атома углерода, чтобы сформировать различные молекулы и их значение для жизни: Углеродные алкалоиды Стероиды Синтетические стероиды Кортизон. Водород, имеющий только один валентный электрон, может образовывать только одиночные связи. Изомеры представляют собой химические соединения с одинаковыми атомами в равных количествах, но пространственное расположение которых отличается. Атомы имеют пространственное расположение, так что структуры зеркально отражают друг друга в зеркале, так что они не могут быть наложены без разрушения звеньев. Геометрический - его появление связано с существованием двойной связи, что подразумевает ограничение во вращении структуры и расположение атомов вокруг этой связи.

Все биомолекулы содержат углерод.
Кислород может участвовать в образовании двойных связей.
Рассмотрим 3 типа изомеров: Структурные энантиомеры или оптические изомеры.
Геометрические.
Структурные - соединения, в которых расположение групп атомов различается.
Оптические энантиомеры или изомеры.
Если соединение является простым соединением, оно может свободно вращаться.

Химическая связь.

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, йод, железо, молибден, цинк, а также, возможно (для животных доказано), селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.

Два атома устанавливают химическую связь, когда они приближаются, их энергия низка, что благоприятствует процессу склеивания. Таким образом, энергия излучения: - Увеличивается при увеличении частоты - уменьшается при увеличении содержания. волна. Это количество энергии, необходимое для нарушения установленного соединения. . Существует несколько диапазонов излучения с разными длинами волн.

Если энергия излучения недостаточна для того, чтобы вызвать химическое связывание, она может по-прежнему вызывать тепловое колебание связей и вращения. Примером этого явления является использование микроволновой печи, которая путем вибрации молекул воды, содержащихся в пище, способствует ее нагреванию. Функциональная группа представляет собой атом или множество атомов, которые определяют структуру данного семейства химических соединений. Эта функциональная группа отвечает за химические свойства, подтвержденные этим семейством. Функциональные группы - примеры Карбонилкарбоксил Гидроксилфениламины и амиды и имины. В водной среде ионизационные процессы предпочтительны в соответствии с рН среды. . Без этого мы почти ничего не могли сделать, потому что у нас не хватило бы энергии.

Недостаток в пищевом рационе таких элементов, как железо, медь, фтор, цинк, йод, 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 Мn и Сu), 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 Zn и Fe).

Кислород участвует в нашей аэробной системе дыхания. Он действует в конце аэробного метаболизма, присоединяясь к водородам, которые выделяются при производстве энергии. Кислород - важный элемент, присутствующий в нашей жизни, в виде кислорода кислорода, он играет ключевую роль для жизни большинства живых существ, включая людей. Кислород имеет большое значение, возможно, самое важное для всех живых существ, потому что мы его дышим. В организме человека он служит для того, чтобы сделать клеточное дыхание существенным для жизни человека. 2-углерод.

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

Ряд элементов (серебро, ртуть, свинец, кадмий и др.) считаются токсичными, так как попадание их в организм уже в микроколичествах приводит к тяжелым патологическим явлениям. Химический механизм токсического воздействия некоторых микроэлементов будет рассмотрен ниже.

После переваривания углерод более чем готов для обеспечения энергии. Они превращаются в глюкозу. Он циркулирует через кровь и немедленно поставляет энергию. Печень и мышцы могут хранить углерод в форме гликогена. Во время тренировки гликоген можно использовать в качестве энергии. Тело использует углерод прежде всего во время подачи энергии в мышцы, и таким образом они могут выполнять работу. является одним из наиболее важных элементов, которые в большей степени входят в основную конституцию нашего организма.

Содержание концентрации водорода в оптимальном диапазоне для клеточного метаболизма зависит от устранения углекислоты в легких, элиминации водорода почками и действия внутри - и внеклеточных буферных систем. Как организм регулирует концентрацию водорода, имеет фундаментальное значение для мониторинга и оценки изменений баланса между кислотами и основаниями внутри клеток, в окружающей жидкой среде и в крови. Водород - чрезвычайно подвижные частицы; изменения его концентрации влияют на клеточное распределение других ионов, таких как натрий, калий и хлориды, и модифицируют активность белков, особенно ферментов.

Биогенные элементы нашли широкое применение в сельском хозяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микро элементов - 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.

Азот - Азот не имеет значения, собственно, для нашего организма, потому что азот не ассимилируется им в форме, которая находится в атмосфере. Однако азот играет важную роль в пищевой цепи, поскольку он поглощается микроорганизмами, присутствующими в корнях растений. Эробиологическая и плотоядная польза в пищевом цикле и азоте становится белком. Фосфор также играет важную роль в формировании клеточной мембраны, поскольку он участвует в составе фосфолипидов. При этом зубы защищены от коррозионного воздействия кислот, образующихся при ферментации бактерий рта, избегая кариеса.

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.

Он содержится в фторированной воде. Чрезмерное потребление способствует появлению пятен на зубах. Он участвует вместе с натрием и хлором, поддерживая осмотический клеточный баланс, помогая устранить избыток воды из организма и регулировать рН крови. Он действует на метаболизм углеводов и белков. Он содержится в мясе, молоке и многих видах фруктов, овощей и овощей. Исследования показали, что диеты с высоким содержанием калия предотвращают гипертонию и сердечно-сосудистые заболевания; ваш дефицит или избыток может привести к проблемам с сердцем.

Основой для изучения свойств элементов и, в частности, их биологической роли является периодический закон Д.И. Менделеева. Физико-химические свойства, а, следовательно, их физиологическая и патологическая роль, определяются положением этих элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Как правило, с увеличением заряда ядра атомов увеличивается токсичность элементов данной группы и уменьшается их содержание в организме. Уменьшение содержания, очевидно, связано с тем, что многие элементы длинных периодов из-за больших атомных и ионных радиусов, высокого заряда ядра, сложности электронных конфигураций, малой растворимости соединений плохо усваиваются живыми организмами. В организме в значительных количествах содержатся легкие элементы.

Важно в балансе жидкости организма; необходимое для проведения нервного импульса. Он содержится в варочной соли, в морских продуктах, в животноводстве и промышленном происхождении. Чрезмерное потребление предрасполагает к гипертонии и перегрузкам почек.

Компонент многих ферментов, включая респираторные ферменты и ферменты, участвующие в синтезе гемоглобина. Находят в печени, яйцах, рыбе, морепродуктах, шоколаде, цельной пшенице и бобах. Если потребление витамина С или железа очень велико, есть помехи в метаболизме меди.

Находят целые зерна, яичный желток и зеленые овощи. Он необходим для свертывания крови и необходим для нормального функционирования нервов и мышц, включая сердце, а также нормальное функционирование плазматической мембраны. Предотвращает остеопороз, сгустки и помогает снизить артериальное давление. Он участвует в белковой структуре нуклеиновых кислот. Он содержится в зеленых овощах, молоке и молочных продуктах, устрицах, сардинах, сое. Признаки дефицита включают судороги, нервозность, сердцебиение и ломкие ногти.

К макроэлементам относятся s-элементы первого (водород), третьего (натрий, магний) и четвертого (калий, кальций) периодов, а также р-элементы второго (углерод, азот, кислород) и третьего (фосфор, сера, хлор) периодов. Все они жизненно необходимы. Большинство остальных s- и р-элементов первых трех периодов (Li, В, Al, F) физиологически активны, s- и р-элементы больших периодов (n>4) редко выступают в качестве незаменимых. Исключение составляют s-элементы - калий, кальций, йод. К физиологически активным относят некоторые s- и р-элементы четвертого и пятого периодов - стронций, мышьяк, селен, бром.

Среди d-элементов жизненно необходимы в основном элементы четвертого периода: марганец, железо, цинк, медь, кобальт. В последнее время установлено, что несомненна физиологическая роль и некоторых других d-элементов этого периода: титана, хрома, ванадия.

d-Элементы, пятого и шестого периодов, за исключением молибдена, не проявляют выраженной положительной физиологической активности. Молибден же входит в состав ряда окислительно-восстановительных ферментов (например, ксантиноксида-, альдегидоксидазы) и играет большую роль в протекании биохимических процессов.

2. Общие аспекты токсичности тяжелых металлов для живых организмов

Всестороннее изучение проблем, связанных с оценкой состояния природной среды показывает, что весьма трудно провести четкую границу между природными и антропогенными факторами изменения экологических систем. Последние десятилетия убедили нас в том. что воздействие человека на природу наносит ей не только непосредственный, легко определяемый ущерб, но и вызывает ряд новых, часто скрытых процессов, трансформирующих иди разрушающих окружающую среду. Естественные и антропогенные процессы в биосфере находятся в сложной взаимосвязи и взаимозависимости. Так, на ход химических превращений, приводящих к образованию токсических веществ, оказывают влияние климат, состояние почвенного покрова, вода, воздух, уровень радиоактивности и т.д. В сложившихся условиях при изучении процессов химического загрязнения экосистем возникает проблема нахождения естественных, обусловленных в основном природными факторами, уровней содержания тех или иных химических элементов или соединений. Решение данной проблемы возможно только на основе проведения длительных систематических наблюдений за состоянием компонентов биосферы, за содержанием в них различных веществ, то есть па основе проведения экологического мониторинга.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами имеет прямое отношение к эколого-аналитическому мониторингу супертоксикантов, поскольку многие из них проявляют высокую токсичность уже в следовых количествах и способны концентрироваться в живых организмах.

Основные источники загрязнения природной среды тяжелыми металлами можно разделить на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). К естественным относят извержение вулканов, пыльные бури, лесные и степные пожары, морские соли, поднятые ветром, растительность и др. Естественные источники загрязнения носят либо систематический равномерный, либо кратковременный стихийный характер и, как правило, мало влияют на общий уровень загрязнения. Главными и наиболее опасными источниками загрязнения природы тяжелыми металлами являются антропогенные.

В процессе изучения химии металлов и их биохимических циклов в биосфере обнаруживается двойственная роль, которую они играют в физиологии: с одной стороны, большинство металлов являются необходимыми для нормального течения жизни; с другой, при повышенных концентрациях они проявляют высокую токсичность, то есть оказывают вредное влияние на состояние и активность живых организмов. Граница между необходимыми и токсичными концентрациями элементов весьма расплывчата, что осложняет проведение достоверной оценки их воздействия на окружающую среду. Количество, при котором некоторые металлы становятся действительно опасными, зависит не только от степени загрязнения ими экосистем, но также от химических особенностей их биохимического цикла. В табл. 1 представлены ряды молярной токсичности металлов для разных видов живых организмов.

Таблица 1. Представительная последовательность молярной токсичности металлов

ОрганизмыРяды токсичностиВодорослиНg>Сu>Сd>Fе>Сr>Zn>Со>МnГрибкиАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FеЦветущие растенияHg>Рb>Сu>Сd>Сr>Ni>ZnКольчатые червиHg>Сu>Zn > Рb> СdРыбыАg>Нg>Сu> Рb>Сd>Al> Zn> Ni> Сr >Со >Mn>>SrМлекопитающиеАg, Нg, Сd> Сu, Рb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe, Сr >> Sr >Сs, Li, Al

Для каждого вида организма порядок расположения металлов в рядах таблицы слева направо отражает увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности. Минимальная молярная величина относится к металлу с наибольшей токсичностью.

В.В. Ковальский, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил химические элементы на три группы:

Жизненно необходимые (незаменимые) элементы, постоянно содержащиеся в организме (входят в состав ферментов, гормонов и витаминов): Н, О, Са, N, К, Р, Nа, S, Mg, Cl, С, I, Мn, Сu, Со, Fe, Мо, V. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека и животных.

Таблица 2. Характеристика некоторых металлоферментов - бионеорганических комплексов

МеталлоферментЦентральный атомЛигандное окружениеОбъект концентрацииДействие ферментаКарбоангидразаZn (II)Аминокислотные остаткиЭритроцитыКатализирует обратимую гидратацию углекислого газа: СО2+Н2О↔Н2СО3↔Н++НСО3КарбоскипептидазаZn (II)Аминокислотные остаткиПоджелудочная железа, печень, кишечникКатализирует переваривание белков, участвует в гидролизе пептидной связи: R1CO-NH-R2+H2O↔R1-COOH+R2NH2КаталазаFe (III)Аминокислотные остатки, гистидин, тирозинКровьКатализирует реакцию разложения пероксида водорода: 2Н2О2 = 2Н2О + О2ПероксидазаFe (III)БелкиТкань, кровьОкисление субстратов (RH2) пероксида водорода: RH2 + H2O2 = R + 2H2OОксиредуктазаCu (II)Аминокислотные остаткиСердце, печень, почкиКатализирует окисление с помощью молекулярного кислорода: 2H2R + O2 = 2R + 2H2OПируваткарбоксилазаMn (II)Белки тканейПечень, щитовидная железа Усиливает действия гормонов. Катализирует процесс карбоксилирования пировиноградной кислотойАльдегидоксидазаMo (VI)Белки тканейПеченьУчаствует в окислении альдегидовРибонуклеотидредуктазаCo (II)Белки тканейПеченьУчаствует в биосинтезе рибонуклеиновых кислот

примесные элементы, постоянно содержащиеся в организме: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, An, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.
примесные элементы, обнаруженные в организме Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др. Данные о количестве и биологическая роль не выяснены.
В таблице приведена характеристика ряда металлоферментов, в состав которых входят такие жизненно необходимые металлы, как Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.
В зависимости от поведения в живых системах металлы можно разделить на 5 типов:
- необходимые элементы, при недостатке которых в организме возникают функциональные нарушения;
- стимуляторы (в качестве стимуляторов могут выступать как необходимые, так и не необходимые для организма металлы);
инертные элементы, при определенных концентрациях являющиеся безвредными, не оказывающими какого-либо действия на организм (например, инертные металлы, используемые в качестве хирургических имплантатов):
терапевтические агенты, используемые в медицине;
токсичные элементы, при высоких концентрациях приводящие к необратимым функциональным нарушениям, гибели организма.
В зависимости от концентрации и времени контакта металл может действовать по одному из указанных типов.
На рисунке 1 представлена диаграмма зависимости состояния организма от концентрации ионов металла. Сплошная кривая на диаграмме описывает немедленный положительный ответ, оптимальный уровень и переход положительного эффекта к негативному после прохождения значений концентрации необходимого элемента через максимум. При высоких концентрациях необходимый металл переходит в разряд токсичных.
Пунктирная кривая демонстрирует биологический ответ на токсичный для организма металл, не обладающий эффектом необходимого или стимулирующего элемента. Эта кривая идет с некоторым запаздыванием, которое свидетельствует о способности живого организма «не реагировать» на небольшие количества токсичного вещества (пороговая концентрация).
Из диаграммы следует, что необходимые элементы становятся токсичными в избыточных количествах. Организм животных и человека поддерживает концентрацию элементов в оптимальном интервале посредством комплекса физиологических процессов, называемого гомеостазом. Концентрация всех без исключения необходимых металлов находится под строгим контролем гомеостаза.

Рис.1 Биологический ответ в зависимости от концентрации металла. (Взаимное расположение двух кривых относительно шкалы концентраций условно)
металл токсичность ион отравление
Особый интерес представляет содержание химических элементов в организме человека. Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, то есть макро- и микроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов (содержание в организме находится в пределах 10-3-10-5%) накапливается в печени, костной и мышечных тканях. Эти ткани являются основным депо для многих металлов.
Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод в щитовидной железе, ванадий наряду с алюминием и мышьяком накапливается в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден - в почках, олово в тканях кишечника, стронций - в предстательной железе, костной ткани, марганец в гипофизе и т.д. В организме микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец - ионном виде.
В ответ па поступление в организм избыточных концентраций элементов живой организм способен ограничивать или даже устраняй, возникающий при этом токсический эффект благодаря наличию определенных механизмов детоксикации. Специфические механизмы детоксикации в отношении ионов металлов в настоящее время изучены недостаточно. Многие металлы в организме могут переходить в менее вредные формы следующими путями:
образование нерастворимых комплексов в кишечном тракте;
транспорт металла с кровью в другие ткани, где он может быть, иммобилизован (как, например. Pb+2 в костях);

- превращение печенью и почками в менее токсичную форму.

Так, в ответ на действие токсичных ионов свинца, ртути, кадмия и др. печень и почки человека увеличивают синтез металлотионинов - белков невысокой молекулярной массы, в составе которых примерно 1/3 аминокислотных остатков является цистеином. Высокое содержание и определенное расположение сульфгидрильных SH- групп обеспечивают возможность прочного связывания ионов металлов.

Механизмы токсичности металлов в целом хорошо известны, однако весьма сложно найти их для какого-то конкретного металла. Один из таких механизмов - концентрация между необходимыми и токсичными металлами за обладание местами связывания в белках, так как ионы металлов стабилизируют и активируют многие белки, входя в состав многих ферментных систем. Кроме того, многие белковые макромолекулы имеют свободные сульфгидрильные группы, способные вступать во взаимодействие с ионами токсичных металлов, таких как кадмий, свинец и ртуть, что приводит к возникновению токсичных эффектов. Тем не менее, точно не установлено, какие именно макромолекулы при этом наносят вред живому организму. Проявление токсичности ионов металлов в разных органах и тканях не всегда связано с уровнем их накопления - нет гарантии в том, что наибольший урон имеет место в той части организма, где концентрация данного металла выше. Так ионы свинца (II), будучи более чем на 90% от общего количества в организме иммобилизованными в костях, проявляют токсичность за счет 10%, распределенных в иных тканях организма. Иммобилизацию ионов свинца в костях можно рассматривать как процесс детоксикации.

Токсичность иона металла обычно не связана с его необходимостью для организма. Однако для токсичности и необходимости имеется одна общая черта: как правило, существует взаимосвязь ионов металлов друг от друга, ровно, как и между ионами металлов и неметаллов, в общем вкладе в эффективность их действия. Так, например, токсичность кадмия проявляется ярче в системе с недостаточностью по цинку, а токсичность свинца усугубляется недостаточностью по кальцию. Сходным образом адсорбцию железа из овощной пищи подавляют присутствующие в ней комплексообразующие лиганды, а избыток ионов цинка может ингибировать адсорбцию меди и т.д.

Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.

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.

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.

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).

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.