Biologische Rolle von Mikroelementen in der Zelle. Chemische Elemente in den Zellen lebender Organismen. Chemische Elemente im menschlichen Körper

Biologische Rolle chemischer Elemente in lebenden Organismen

1. Makro- und Mikroelemente in der Umwelt und im menschlichen Körper

Die biologische Rolle chemischer Elemente im menschlichen Körper ist äußerst vielfältig.

Die Hauptfunktion von Makroelementen besteht darin, Gewebe aufzubauen, den osmotischen Druck sowie die Ionen- und Säure-Basen-Zusammensetzung konstant zu halten.

Chemische Elemente und Lebewesen

Wie oben erwähnt, bestehen Lebewesen aus vielen chemischen Elementen. Es ist zu beachten, dass in lebenden Organismen am häufigsten Kohlenstoff, Sauerstoff und Sauerstoff vorkommen, die 90 % der lebenden Materie ausmachen. Diese vier Elemente sind Bestandteile einiger biologischer Moleküle wie Kohlenhydrate, Proteine und Proteine. Andere Elemente wie Phosphor, Schwefel, Kalzium und Kalium kommen in geringeren Mengen vor.

Kohlenstoff ist das vierthäufigste Element im Universum und die Grundlage des Lebens auf dem Planeten Erde. Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, bestehen alle Lebewesen aus Kohlenstoff. Dieses Element verfügt über eine molekulare Struktur, die die Herstellung verschiedener Verbindungen mit mehreren Elementen ermöglicht, was ein Vorteil ist.

Mikroelemente, die biologisch Bestandteil von Enzymen, Hormonen und Vitaminen sind Wirkstoffe Als Komplexbildner oder Aktivatoren sind sie am Stoffwechsel, an Fortpflanzungsprozessen, an der Gewebeatmung und an der Neutralisation beteiligt giftige Substanzen. Mikroelemente beeinflussen aktiv die Prozesse der Hämatopoese, der Oxidation - Reduktion und der Durchlässigkeit von Blutgefäßen und Geweben. Makro- und Mikroelemente – Kalzium, Phosphor, Fluor, Jod, Aluminium, Silizium – bestimmen die Bildung von Knochen- und Zahngewebe.

Kohlenstoff zirkuliert durch Land, Meer und Land und erzeugt den sogenannten Kohlenstoffkreislauf. Der Kohlenstoffkreislauf bezieht sich auf den Prozess der Wiederverwertung dieses Elements. Tiere verbrauchen Glukose während des Nahrungsstoffwechsels und der Atmung. Dieses Molekül verbindet sich mit Sauerstoff zu Kohlendioxid, Wasser und Energie, die als Wärme freigesetzt wird.

Chemische Reaktion der Photosynthese

Tiere brauchen kein Kohlendioxid und geben es daher an die Atmosphäre ab. Andererseits können Pflanzen dieses Gas durch einen sogenannten Prozess nutzen. Dieser Prozess erfordert drei Elemente.

Kohlendioxid, das durch Spaltöffnungen in den Blättern in Pflanzen gelangt.
Wasser, das von Pflanzenwurzeln aufgenommen wird.
Sonnenenergie, die von Chlorophyll eingefangen wird.
Geben Sie Sauerstoff frei leichte Zeit Phasen der Photosynthese.
Während der Dunkelphase der Photosynthese synthetisieren sie Kohlenhydrate wie Glukose.

Tiere nehmen Sauerstoff auf und verbrauchen pflanzliche Glukose, und so beginnt der Kreislauf von neuem.

Es gibt Hinweise darauf, dass sich der Inhalt einiger Elemente im menschlichen Körper mit dem Alter ändert. So steigt mit zunehmendem Alter der Gehalt an Cadmium in den Nieren und Molybdän in der Leber. Der maximale Zinkgehalt wird während der Pubertät beobachtet, dann nimmt er ab und erreicht im Alter ein Minimum. Auch der Gehalt an anderen Spurenelementen wie Vanadium und Chrom nimmt mit zunehmendem Alter ab.

Einfluss anderer Elemente von Pflanzen, Tieren und Prokaryoten

Unter Biochemie versteht man die Untersuchung der Bestandteile lebender Materie, ihrer Reaktionen und ihrer Beziehung zur Umwelt.

Periodensystem: Atome, Elemente und Isotope – Genesis Mission.
„Ziegelsteine“ für den Bau lebender Organismen.

Chemische Elemente Periodensystem.

Dmitri Iwanowitsch Mendelejew war ein russischer Chemiker, dem die Erstellung der ersten Version des Periodensystems zugeschrieben wird. Als sie sein Werk „Grundsätze der Chemie“ schrieben und versuchten, Elemente nach ihren chemischen Eigenschaften zu gruppieren, fanden sie heraus Allgemeine Charakteristiken. Die Zahl der 24 chemischen Elemente, aus denen Zellen, die Grundeinheiten aller lebenden Organismen, bestehen, ist in mehr oder weniger großen Mengen vorhanden. Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff machen mehr als 99 % der Atome im menschlichen Körper aus. Diese Elemente sind die leichtesten und in der Lage, solche Bindungen zu bilden – eine stärkere Bindung. Bei einem Ion ist diese Zahl anders. Von diesen sind die „ungepaarten“ Elektronen die Teilchen, die für die Eigenschaften der Elemente verantwortlich sind.

Er gruppierte die Elemente in dem sogenannten Periodensystem.
Derzeit enthält das Periodensystem 117 Elemente.
Diese Nummer ist noch offen.
Die Tabelle ist nach Gruppen und Zeiträumen geordnet.
Die Ordnungszahl ist die Anzahl der im Kern vorhandenen Protonen.
Die Massenzahl ist die Summe aus der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen.
Neutronen und Protonen sind Kernteilchen.
Elektronen sind auf Energieniveaus rund um den Kern verteilt.
In einem Atom ist seine Anzahl gleich der Anzahl der Protonen.
Valenzelektronen sind die Elektronen in der äußersten Schicht eines Atoms.

Moleküle des Lebens Biomoleküle.

Es wurden viele Krankheiten identifiziert, die mit einem Mangel oder einer übermäßigen Anreicherung verschiedener Mikroelemente einhergehen. Fluoridmangel verursacht Zahnkaries, Jodmangel verursacht endemische Struma und überschüssiges Molybdän verursacht endemische Gicht. Diese Art von Mustern hängt mit der Tatsache zusammen, dass der menschliche Körper ein Gleichgewicht optimaler Konzentrationen biogener Elemente aufrechterhält – die chemische Homöostase. Eine Störung dieses Gleichgewichts aufgrund eines Mangels oder Überschusses des Elements kann zu verschiedenen Krankheiten führen.

Dies liegt an der großen Vielseitigkeit dieses Elements, sehr stabil zu formen kovalente Bindungen Mit verschiedene Arten Geometrie. Einige Videos veranschaulichen die Vielseitigkeit des Kohlenstoffatoms zur Bildung verschiedener Moleküle und ihre Bedeutung für das Leben: Kohlenstoffalkaloide Steroide Synthetische Steroide Cortison. Wasserstoff, der nur ein Valenzelektron besitzt, kann nur Einfachbindungen bilden. Isomere sind chemische Verbindungen mit gleichen Atomen in gleichen Mengen, deren räumliche Anordnung jedoch unterschiedlich ist. Die Atome sind räumlich so angeordnet, dass sich die Strukturen spiegelbildlich spiegeln, sodass sie nicht übereinander gelegt werden können, ohne dass die Verbindungen zerstört werden. Geometrisch – sein Aussehen ist mit der Existenz einer Doppelbindung verbunden, was eine Einschränkung der Rotation der Struktur und der Anordnung der Atome um diese Bindung impliziert.

Alle Biomoleküle enthalten Kohlenstoff.
Sauerstoff kann an der Bildung von Doppelbindungen beteiligt sein.
Betrachten wir drei Arten von Isomeren: Strukturenantiomere oder optische Isomere.
Geometrisch.
Strukturell – Verbindungen, bei denen die Anordnung der Atomgruppen unterschiedlich ist.
Optische Enantiomere oder Isomere.
Handelt es sich bei dem Gelenk um ein einfaches Gelenk, kann es sich frei drehen.

Chemische Bindung.

Zusätzlich zu den sechs Hauptmakroelementen – Organogenen – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor, aus denen Kohlenhydrate, Fette, Proteine usw. bestehen Nukleinsäuren Für die normale Ernährung von Mensch und Tier werden „anorganische“ Makroelemente benötigt – Kalzium, Chlor, Magnesium, Kalium, Natrium – und Mikroelemente – Kupfer, Fluor, Jod, Eisen, Molybdän, Zink und möglicherweise auch (bei Tieren nachgewiesen) , Selen, Arsen, Chrom, Nickel, Silizium, Zinn, Vanadium.

Zwei Atome gesetzt chemische Bindung Wenn sie sich nähern, ist ihre Energie gering, was den Bindungsprozess begünstigt. Somit nimmt die Strahlungsenergie: - mit zunehmender Frequenz zu - mit zunehmendem Inhalt ab. Welle. Dies ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um eine bestehende Verbindung zu unterbrechen. . Es gibt mehrere Strahlungsbereiche mit unterschiedlichen Wellenlängen.

Wenn die Strahlungsenergie nicht ausreicht, um eine chemische Bindung zu bewirken, kann es dennoch zu Vibrationen und Rotationen der thermischen Bindung kommen. Ein Beispiel für dieses Phänomen ist die Verwendung Mikrowelle, das durch die Vibration der in der Nahrung enthaltenen Wassermoleküle zu deren Erwärmung beiträgt. Eine funktionelle Gruppe ist ein Atom oder eine Gruppe von Atomen, die die Struktur einer bestimmten Familie definieren Chemische Komponenten. Diese Funktionsgruppe ist verantwortlich für Chemische Eigenschaften, bestätigt von dieser Familie. Funktionelle Gruppen sind Beispiele für Carsowie Amide und Imine. In einer wässrigen Umgebung werden Ionisierungsprozesse entsprechend dem pH-Wert der Umgebung bevorzugt. . Ohne dies könnten wir kaum etwas tun, weil wir nicht genug Energie hätten.

Mangel an Diät Elemente wie Eisen, Kupfer, Fluor, Zink, Jod, Kalzium, Phosphor, Magnesium und einige andere führen dazu Ernsthafte Konsequenzen für die menschliche Gesundheit.

Es muss jedoch beachtet werden, dass nicht nur ein Mangel, sondern auch ein Überschuss an Nährstoffen schädlich für den Körper ist, da die chemische Homöostase gestört ist. Wenn beispielsweise überschüssiges Mangan mit der Nahrung aufgenommen wird, steigt der Kupferspiegel im Plasma (Synergismus von Mn und Cu) und in den Nieren sinkt er (Antagonismus). Ein erhöhter Molybdängehalt in Lebensmitteln führt zu einem Anstieg der Kupfermenge in der Leber. Überschüssiges Zink in der Nahrung führt zu einer Hemmung der Aktivität eisenhaltiger Enzyme (Antagonismus von Zn und Fe).

Sauerstoff ist an unserem aeroben Atmungssystem beteiligt. Es wirkt am Ende des aeroben Stoffwechsels, indem es den Wasserstoff hinzufügt, der bei der Energieerzeugung freigesetzt wird. Sauerstoff ist ein wichtiges Element in unserem Leben. In Form von Sauerstoff spielt er eine Schlüsselrolle im Leben der meisten Lebewesen, einschließlich des Menschen. Sauerstoff hat sehr wichtig, vielleicht das Wichtigste für alle Lebewesen, weil wir es atmen. Im menschlichen Körper dient es dazu, die Zellatmung lebenswichtig zu machen. 2-Kohlenstoff.

Mineralische Bestandteile, die in vernachlässigbaren Mengen lebenswichtig sind, mit mehr hohe Konzentrationen giftig werden.

Eine Reihe von Elementen (Silber, Quecksilber, Blei, Cadmium usw.) gelten als giftig, da ihr Eintritt in den Körper bereits in Mikromengen zu schwerwiegenden pathologischen Erscheinungen führt. Chemischer Mechanismus toxische Wirkungen Einige Mikroelemente werden im Folgenden besprochen.

Sobald der Kohlenstoff verdaut ist, ist er mehr als bereit, Energie bereitzustellen. Sie werden in Glukose umgewandelt. Es zirkuliert im Blut und liefert sofort Energie. Leber und Muskeln können Kohlenstoff in Form von Glykogen speichern. Während des Trainings kann Glykogen als Energie genutzt werden. Der Körper nutzt Kohlenstoff hauptsächlich, wenn er die Muskeln mit Energie versorgt, damit diese arbeiten können. ist einer der meisten wichtige Elemente, die zu einem großen Teil zur Grundkonstitution unseres Körpers gehören.

Um die Wasserstoffkonzentration im optimalen Bereich für den Zellstoffwechsel zu halten, sind die Beseitigung von Kohlendioxid in der Lunge, die Beseitigung von Wasserstoff durch die Nieren und die Wirkung intra- und extrazellulärer Puffersysteme erforderlich. Die Art und Weise, wie der Körper die Wasserstoffkonzentration reguliert, ist von grundlegender Bedeutung für die Überwachung und Beurteilung von Veränderungen im Gleichgewicht zwischen Säuren und Basen in den Zellen, in der umgebenden Flüssigkeitsumgebung und im Blut. Wasserstoff ist ein äußerst bewegliches Teilchen; Änderungen seiner Konzentration wirken sich auf die zelluläre Verteilung anderer Ionen wie Natrium, Kalium und Chlorid aus und verändern die Aktivität von Proteinen, insbesondere von Enzymen.

Biogene Elemente gefunden Breite Anwendung V Landwirtschaft. Die Zugabe kleiner Mengen von Mikroelementen zum Boden – Bor, Kupfer, Mangan, Zink, Kobalt, Molybdän – steigert den Ertrag vieler Nutzpflanzen dramatisch. Es stellt sich heraus, dass Mikroelemente durch die Erhöhung der Aktivität von Enzymen in Pflanzen die Synthese von Proteinen, Vitaminen, Nukleinsäuren, Zucker und Stärke fördern. Einige der chemischen Elemente wirken sich positiv auf die Photosynthese aus, beschleunigen das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen sowie die Samenreifung. Zur Steigerung der Produktivität werden Tierfutter Mikroelemente zugesetzt.

Stickstoff – Eigentlich ist Stickstoff für unseren Körper nicht wichtig, da Stickstoff von ihm nicht in der Form aufgenommen wird, die in der Atmosphäre vorliegt. Stickstoff spielt jedoch eine wichtige Rolle in der Nahrungskette, da er von Mikroorganismen in Pflanzenwurzeln aufgenommen wird. Erobiologische und fleischfressende Vorteile im Nahrungskreislauf und Stickstoff wird zu Protein. Phosphor spielt auch eine wichtige Rolle bei der Bildung der Zellmembran, da es an der Zusammensetzung der Phospholipide beteiligt ist. Gleichzeitig werden die Zähne vor der ätzenden Wirkung von Säuren geschützt, die bei der Fermentation oraler Bakterien entstehen, wodurch Karies vermieden wird.

Verschiedene Elemente und ihre Verbindungen werden häufig als Arzneimittel verwendet.

So trägt die Untersuchung der biologischen Rolle chemischer Elemente und die Klärung der Beziehung zwischen dem Austausch dieser Elemente und anderen biologisch aktiven Substanzen – Enzymen, Hormonen, Vitaminen – zur Entstehung neuer Substanzen bei Medikamente und die Entwicklung optimaler Dosierungsschemata sowohl für therapeutische als auch prophylaktische Zwecke.

Es kommt in fluoridiertem Wasser vor. Übermäßiger Verzehr trägt zur Entstehung von Flecken auf den Zähnen bei. Zusammen mit Natrium und Chlorid ist es an der Aufrechterhaltung des osmotischen Zellgleichgewichts beteiligt und trägt dazu bei, überschüssiges Wasser aus dem Körper zu entfernen und den pH-Wert des Blutes zu regulieren. Es wirkt auf den Stoffwechsel von Kohlenhydraten und Proteinen. Es kommt in Fleisch, Milch und vielen Obst-, Gemüse- und Gemüsesorten vor. Studien haben gezeigt, dass eine kaliumreiche Ernährung Bluthochdruck verhindert Herz-Kreislauf-Erkrankungen; Ihr Mangel oder Überschuss kann zu Herzproblemen führen.

Grundlage für die Untersuchung der Eigenschaften von Elementen und insbesondere ihrer biologischen Rolle ist das periodische Gesetz von D.I. Mendelejew. Physikalisch-chemische Eigenschaften und folglich ihre physiologische und pathologische Rolle werden durch die Position dieser Elemente in bestimmt Periodensystem DI. Mendelejew.

Mit zunehmender Kernladung von Atomen nimmt in der Regel die Toxizität von Elementen einer bestimmten Gruppe zu und ihr Gehalt im Körper ab. Der Rückgang des Gehalts ist offensichtlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass viele Elemente mit langen Perioden aufgrund großer Atom- und Ionenradien, hoher Kernladung, Komplexität elektronischer Konfigurationen und geringer Löslichkeit von Verbindungen von lebenden Organismen schlecht absorbiert werden. Der Körper enthält leichte Elemente in erheblichen Mengen.

Wichtig für den Flüssigkeitshaushalt des Körpers; zur Durchführung notwendig Nervenimpuls. Es ist im Kochsalz enthalten Meeresfrüchteprodukte, tierischen und industriellen Ursprungs. Übermäßiger Konsum begünstigt Bluthochdruck und Nierenüberlastung.

Bestandteil vieler Enzyme, einschließlich Atemwegsenzymen und Enzymen, die an der Hämoglobinsynthese beteiligt sind. Kommt in Leber, Eiern, Fisch, Meeresfrüchten, Schokolade, Vollkorn und Bohnen vor. Bei sehr hoher Vitamin-C- oder Eisenzufuhr kommt es zu Störungen im Kupferstoffwechsel.

Finden Sie Vollkornprodukte Eigelb und grünes Gemüse. Es ist wichtig für die Blutgerinnung und ist für die normale Funktion von Nerven und Muskeln, einschließlich des Herzens, sowie für die normale Funktion der Plasmamembran unerlässlich. Verhindert Osteoporose, Blutgerinnsel und hilft bei der Reduzierung arterieller Druck. Es ist an der Proteinstruktur von Nukleinsäuren beteiligt. Es kommt in grünem Gemüse, Milch und Milchprodukten, Austern, Sardinen und Soja vor. Anzeichen eines Mangels sind Krampfanfälle, Nervosität, Herzklopfen und brüchige Nägel.

Zu den Makroelementen gehören S-Elemente der ersten (Wasserstoff), dritten (Natrium, Magnesium) und vierten (Kalium, Kalzium) Periode sowie p-Elemente der zweiten (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) und dritten (Phosphor, Schwefel, Chlor) Perioden. Sie alle sind lebenswichtig. Die meisten der verbleibenden S- und P-Elemente der ersten drei Perioden (Li, B, Al, F) sind physiologisch aktive S- und P-Elemente lange Zeiträume(n>4) wirken selten unersetzlich. Die Ausnahme bilden die S-Elemente – Kalium, Kalzium, Jod. Einige s- und p-Elemente der vierten und fünften Periode – Strontium, Arsen, Selen, Brom – werden als physiologisch aktiv eingestuft.

Unter den D-Elementen sind vor allem Elemente der vierten Periode lebenswichtig: Mangan, Eisen, Zink, Kupfer, Kobalt. IN In letzter Zeit Es wurde festgestellt, dass kein Zweifel besteht physiologische Rolle und einige andere D-Elemente dieser Zeit: Titan, Chrom, Vanadium.

d-Elemente der fünften und sechsten Periode zeigen mit Ausnahme von Molybdän keine ausgeprägte positive physiologische Aktivität. Molybdän ist Bestandteil einer Reihe von Redoxenzymen (z. B. Xanthinoxid, Aldehydoxidase) und spielt eine wichtige Rolle im Ablauf biochemischer Prozesse.

2. Allgemeine Aspekte der Toxizität Schwermetalle für lebende Organismen

Eine umfassende Untersuchung der Probleme bei der Beurteilung des Zustands der natürlichen Umwelt zeigt, dass es sehr schwierig ist, eine klare Grenze zwischen natürlichen und anthropogenen Veränderungsfaktoren in Ökosystemen zu ziehen. Letzte Jahrzehnte hat uns davon überzeugt. dass der menschliche Einfluss auf die Natur nicht nur unmittelbare, leicht erkennbare Schäden verursacht, sondern oft auch eine Reihe neuer Schäden verursacht versteckte Prozesse, verwandeln oder zerstören Umfeld. Natürliche und anthropogene Prozesse in der Biosphäre stehen in einem komplexen Zusammenhang und sind voneinander abhängig. So wird der Verlauf chemischer Umwandlungen, die zur Bildung toxischer Stoffe führen, vom Klima, der Bodenbeschaffenheit, dem Wasser, der Luft, dem Grad der Radioaktivität usw. beeinflusst. Unter den gegenwärtigen Bedingungen stellt sich bei der Untersuchung der Prozesse der chemischen Verschmutzung von Ökosystemen das Problem, natürliche, hauptsächlich verursachte, zu finden natürliche Faktoren, Gehaltsniveaus bestimmter chemischer Elemente oder Verbindungen. Die Lösung dieses Problems ist nur auf der Grundlage langfristiger systematischer Beobachtungen des Zustands der Bestandteile der Biosphäre und ihres Inhalts möglich verschiedene Substanzen, also auf Basis der Umweltüberwachung.

Umweltbelastungen mit Schwermetallen stehen in direktem Zusammenhang mit der umweltanalytischen Überwachung von Supergiftstoffen, da viele von ihnen bereits in Spuren eine hohe Toxizität aufweisen und sich in lebenden Organismen anreichern können.

Die Hauptquellen der Verschmutzung der natürlichen Umwelt mit Schwermetallen lassen sich in natürliche (natürliche) und künstliche (anthropogene) einteilen. Zu den Naturereignissen zählen Vulkanausbrüche, Staubstürme, Wald- und Steppenbrände, Meersalze, erhöht durch Wind, Vegetation usw. Natürliche Verschmutzungsquellen sind entweder systematischer, gleichmäßiger oder kurzfristiger spontaner Natur und haben in der Regel nur geringe Auswirkungen auf das Gesamtniveau der Verschmutzung. Das Wichtigste und das Meiste gefährliche Quellen Die Belastung der Natur mit Schwermetallen ist anthropogen.

Bei der Untersuchung der Chemie von Metallen und ihrer biochemischen Kreisläufe in der Biosphäre zeigt sich die doppelte Rolle, die sie in der Physiologie spielen: Einerseits sind die meisten Metalle für den normalen Lebensverlauf notwendig; andererseits mit erhöhte Konzentrationen Sie weisen eine hohe Toxizität auf, das heißt, sie haben schlechter Einflussüber den Zustand und die Aktivität lebender Organismen. Die Grenze zwischen notwendigen und toxischen Konzentrationen von Elementen ist sehr vage, was es schwierig macht, ihre Auswirkungen auf die Umwelt zuverlässig abzuschätzen. Ab welcher Menge manche Metalle wirklich gefährlich werden, hängt nicht nur davon ab, wie stark sie Ökosysteme verschmutzen, sondern auch von den chemischen Eigenschaften ihres biochemischen Kreislaufs. In der Tabelle 1 zeigt die Reihe der molaren Toxizität von Metallen für verschiedene Typen lebende Organismen.

Tabelle 1. Repräsentative Reihenfolge der molaren Toxizität von Metallen

Organismen Toxizitätsreihe AlgenНg>Сu>Сd>Fe>Сr>Zn>Со>Мn PilzeАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FeBlütenpflanzenHg>Рb>Сu>Сd>Сr>Ni>ZnRingelblumenHg >Сu >Zn > Pb> CdFishAg>Hg>Cu>Pb>Cd>Al>Zn>Ni>Cr>Co >Mn>>SrMammalsAg, Hg, Cd> Cu, Pb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni , Fe , Сr >> Sr >Сs, Li, Al

Für jede Art von Organismus spiegelt die Reihenfolge der Metalle in den Zeilen der Tabelle von links nach rechts die Zunahme der molaren Metallmenge wider, die zur Erzeugung der toxischen Wirkung erforderlich ist. Der minimale Molwert bezieht sich auf das Metall mit der größten Toxizität.

V.V. Kowalski teilte chemische Elemente aufgrund ihrer Bedeutung für das Leben in drei Gruppen ein:

Lebenswichtige (unersetzliche) Elemente, die ständig im Körper enthalten sind (Bestandteil von Enzymen, Hormonen und Vitaminen): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Mo, V. Ihr Mangel führt zu einer Störung der normalen Funktion von Mensch und Tier.

Tabelle 2. Eigenschaften einiger Metalloenzyme – bioanorganische Komplexe

Metallenzym Zentralatom Ligandenumgebung Objekt der Konzentration Enzymwirkung Carboanhydrase Zn (II) Aminosäurereste Rote Blutkörperchen Katalysiert die reversible Hydratation von Kohlendioxid: CO 2+H 2O↔H 2CO 3↔H ++MwSt 3Carbosky-Peptidase Zn (II) Aminosäurereste Bauchspeicheldrüse, Leber, Darm katalysiert die Verdauung von Proteinen, beteiligt sich an der Hydrolyse der Peptidbindung: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2N.H. 2KatalaseFe (III)Aminosäurereste, Histidin, TyrosinBlutKatalysiert die Zersetzungsreaktion von Wasserstoffperoxid: 2H 2UM 2= 2H 2O + O 2PeroxidaseFe(III)ProteineGewebe, BlutOxidation von Substraten (RH 2) Wasserstoffperoxid: RH 2+H 2Ö 2= R + 2H 2OxyreduktaseCu(II)AminosäureresteHerz, Leber, NierenKatalysiert Oxidation mit molekularem Sauerstoff: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Pyruvatcarboxylase Mn (II) Gewebeproteine Leber, Schilddrüse Verstärkt die Wirkung von Hormonen. Katalysiert den Carboxylierungsprozess mit Brenztraubensäure. Aldehydoxidase Mo (VI). Gewebeproteine. Leber. Beteiligt sich an der Oxidation von Aldehyden. Ribonukleotidreduktase Co (II). Gewebeproteine. Leber. Beteiligt sich an der Biosynthese von Ribonukleinsäuren

Ständig im Körper enthaltene Verunreinigungselemente: 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. Ihre biologische Rolle ist kaum verstanden oder unbekannt.
Im Körper vorkommende Verunreinigungselemente Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb usw. Daten zur Menge und biologischen Rolle sind nicht geklärt.
Die Tabelle zeigt die Eigenschaften einer Reihe von Metalloenzymen, zu denen lebenswichtige Metalle wie Zn, Fe, Cu, Mn, Mo gehören.
Abhängig von ihrem Verhalten in lebenden Systemen können Metalle in 5 Typen eingeteilt werden:
- notwendige Elemente, dessen Mangel zu Funktionsstörungen im Körper führt;
- Stimulanzien (sowohl für den Körper notwendige als auch unnötige Metalle können als Stimulanzien wirken);
inerte Elemente, die in bestimmten Konzentrationen harmlos sind und keine Auswirkungen auf den Körper haben (z. B. inerte Metalle, die als chirurgische Implantate verwendet werden):
Therapeutika für die Medizin;
giftige Elemente, die in hohen Konzentrationen zu irreversiblen Funktionsstörungen und zum Tod des Körpers führen.
Je nach Konzentration und Kontaktzeit kann das Metall in einer der angegebenen Formen wirken.
Abbildung 1 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit des Körperzustands von der Konzentration von Metallionen. Die durchgezogene Kurve im Diagramm beschreibt die unmittelbare positive Reaktion, den optimalen Pegel und den Übergang positiver Effekt auf negativ, nachdem die Konzentrationswerte des erforderlichen Elements das Maximum durchlaufen haben. Bei hohen Konzentrationen wird das notwendige Metall giftig.
Die gepunktete Kurve zeigt die biologische Reaktion auf ein Metall, das für den Körper giftig ist und nicht die Wirkung eines notwendigen oder stimulierenden Elements hat. Diese Kurve weist eine gewisse Verzögerung auf, was auf die Fähigkeit eines lebenden Organismus hinweist, darauf „nicht zu reagieren“. Kleinmengen giftige Substanz(Schwellenkonzentration).
Das Diagramm zeigt, dass essentielle Elemente in überschüssigen Mengen giftig werden. Der tierische und menschliche Körper hält durch einen Komplex die Konzentration der Elemente im optimalen Bereich physiologische Prozesse Homöostase genannt. Die Konzentration aller essentiellen Metalle unterliegt ausnahmslos der strengen Kontrolle der Homöostase.

Abb. 1 Biologische Reaktion in Abhängigkeit von der Metallkonzentration. ( Gegenseitige Übereinkunft zwei Kurven relativ zur Konzentrationsskala bedingt)
Metalltoxizität, Ionenvergiftung
Von besonderem Interesse ist der Gehalt an chemischen Elementen im menschlichen Körper. Menschliche Organe konzentrieren verschiedene chemische Elemente auf unterschiedliche Weise, das heißt, Makro- und Mikroelemente sind ungleichmäßig zwischen verschiedenen Organen und Geweben verteilt. Die meisten Mikroelemente (Gehalt im Körper liegen innerhalb von 10 -3-10-5%) reichert sich in Leber, Knochen und an Muskelgewebe. Diese Stoffe sind das Hauptdepot für viele Metalle.
Elemente können eine spezifische Affinität zu bestimmten Organen aufweisen und in diesen in hohen Konzentrationen enthalten sein. Es ist bekannt, dass Zink in der Bauchspeicheldrüse konzentriert ist, Jod in Schilddrüse, Vanadium reichert sich zusammen mit Aluminium und Arsen in Haaren und Nägeln an, Cadmium, Quecksilber, Molybdän – in den Nieren, Zinn im Darmgewebe, Strontium – in Prostatadrüse, Knochengewebe, Mangan in der Hypophyse usw. Im Körper kommen Mikroelemente sowohl in vor gebundener Zustand und in Form freier ionischer Formen. Es wurde festgestellt, dass Aluminium, Kupfer und Titan im Gehirngewebe in Form von Komplexen mit Proteinen vorliegen, während Mangan in ionischer Form vorliegt.
Als Reaktion auf die Aufnahme übermäßiger Konzentrationen von Elementen in den Körper ist der lebende Organismus aufgrund bestimmter Entgiftungsmechanismen in der Lage, die daraus resultierende toxische Wirkung zu begrenzen oder sogar zu beseitigen. Spezifische Mechanismen der Entgiftung in Bezug auf Metallionen sind derzeit nicht gut verstanden. Viele Metalle im Körper können auf folgende Weise in weniger schädliche Formen umgewandelt werden:
Bildung unlöslicher Komplexe in Darm-Trakt;
Transport des Metalls mit dem Blut zu anderen Geweben, wo es immobilisiert werden kann (z. B. Pb+2). in den Knochen);

- Umwandlung durch Leber und Nieren in eine weniger toxische Form.

Als Reaktion auf die Wirkung toxischer Ionen von Blei, Quecksilber, Cadmium usw. erhöhen die menschliche Leber und die Nieren die Synthese von Metallothioneinen – Proteinen mit niedrigem Molekulargewicht, bei denen etwa 1/3 der Aminosäurereste Cystein sind . Hoher Inhalt und die spezifische Anordnung der Sulfhydryl-SH-Gruppen ermöglichen eine starke Bindung von Metallionen.

Die Mechanismen der Toxizität von Metallen sind im Allgemeinen gut bekannt, es ist jedoch sehr schwierig, sie für ein bestimmtes Metall zu ermitteln. Einer dieser Mechanismen ist die Konzentration zwischen essentiellen und toxischen Metallen aufgrund des Vorhandenseins von Bindungsstellen in Proteinen, da Metallionen viele Proteine stabilisieren und aktivieren und Teil vieler Enzymsysteme sind. Darüber hinaus verfügen viele Proteinmakromoleküle über freie Sulfhydrylgruppen, die mit toxischen Metallionen wie Cadmium, Blei und Quecksilber interagieren können, was zu toxischen Wirkungen führt. Es ist jedoch nicht genau geklärt, welche Makromoleküle einem lebenden Organismus Schaden zufügen. Manifestation der Toxizität von Metallionen in verschiedene Organe und Gewebe hängt nicht immer mit dem Grad ihrer Ansammlung zusammen – es gibt keine Garantie dafür, dass der größte Schaden in dem Körperteil auftritt, in dem die Konzentration eines bestimmten Metalls höher ist. Somit sind Blei(II)-Ionen, die mehr als 90 % der Gesamtmenge im Körper ausmachen und in den Knochen immobilisiert sind, aufgrund der Verteilung von 10 % in anderen Geweben des Körpers toxisch. Die Immobilisierung von Bleiionen in Knochen kann als Entgiftungsprozess angesehen werden.

Die Toxizität eines Metallions hängt normalerweise nicht von seinem Bedarf für den Körper ab. Toxizität und Notwendigkeit haben jedoch eines gemeinsam: In der Regel besteht ein Zusammenhang zwischen Metallionen untereinander sowie zwischen Metall- und Nichtmetallionen in ihrem Gesamtbeitrag zur Wirksamkeit ihrer Wirkung. Beispielsweise ist die Toxizität von Cadmium in einem System mit Zinkmangel stärker ausgeprägt, und die Toxizität von Blei wird durch Kalziummangel verstärkt. Ebenso wird die Adsorption von Eisen aus pflanzlichen Lebensmitteln durch die darin enthaltenen Komplexliganden gehemmt, und überschüssige Zinkionen können die Adsorption von Kupfer usw. hemmen.

Die biologische Rolle chemischer Elemente im menschlichen Körper ist äußerst vielfältig.

Die Hauptfunktion von Makroelementen besteht darin, Gewebe aufzubauen, den osmotischen Druck sowie die Ionen- und Säure-Basen-Zusammensetzung konstant zu halten.

Mikroelemente sind als Bestandteil von Enzymen, Hormonen, Vitaminen und biologisch aktiven Substanzen als Komplexbildner oder Aktivatoren am Stoffwechsel, an Fortpflanzungsprozessen, an der Gewebeatmung und an der Neutralisierung toxischer Substanzen beteiligt. Mikroelemente beeinflussen aktiv die Prozesse der Hämatopoese, der Oxidation - Reduktion und der Durchlässigkeit von Blutgefäßen und Geweben. Makro- und Mikroelemente – Kalzium, Phosphor, Fluor, Jod, Aluminium, Silizium – bestimmen die Bildung von Knochen- und Zahngewebe.

Ein Mangel oder Überschuss eines Elements kann zu verschiedenen Krankheiten führen

Zusätzlich zu den sechs Hauptmakroelementen – Organogenen – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor, aus denen Kohlenhydrate, Fette, Proteine und Nukleinsäuren bestehen, sind „anorganische“ Makroelemente für die normale Ernährung von Mensch und Tier notwendig – Kalzium, Chlor, Magnesium, Kalium, Natrium – und Spurenelemente – Kupfer, Fluor, Jod, Eisen, Molybdän, Zink, sowie möglicherweise (bei Tieren nachgewiesen) Selen, Arsen, Chrom, Nickel, Silizium, Zinn, Vanadium.

Ein Mangel an Elementen wie Eisen, Kupfer, Fluor, Zink, Jod, Kalzium, Phosphor, Magnesium und einigen anderen in der Ernährung führt zu schwerwiegenden Folgen für die menschliche Gesundheit.

Mineralische Bestandteile, die in vernachlässigbaren Mengen lebenswichtig sind, werden in höheren Konzentrationen giftig.

Die lebenswichtige Notwendigkeit, der Mangel und die Toxizität eines chemischen Elements werden in Form einer Abhängigkeitskurve „Konzentration des Elements in“ dargestellt Lebensmittel- Körperreaktion“ (Abb. 5.5). Der annähernd horizontale Abschnitt der Kurve (Plateau) beschreibt den Konzentrationsbereich, der optimalem Wachstum, Gesundheit und Fortpflanzung entspricht. Die große Ausdehnung des Plateaus weist nicht nur auf die geringe Toxizität des Elements hin, sondern auch auf die größere Fähigkeit des Körpers, sich an erhebliche Veränderungen im Gehalt dieses Elements anzupassen. Im Gegenteil, ein schmales Plateau weist auf eine erhebliche Toxizität des Elements und einen scharfen Übergang von für den Körper notwendigen Mengen zu lebensbedrohlichen Mengen hin. Wenn Sie ein Plateau überschreiten (steigende Mikroelementkonzentration), werden alle Elemente toxisch. Letztlich kann ein deutlicher Anstieg der Konzentration von Spurenelementen zum Tod führen.

Es werden eine Reihe von Elementen (Silber, Quecksilber, Blei, Cadmium usw.) gezählt

Sie sind giftig, da ihr Eintritt in den Körper bereits in Mikromengen zu schweren pathologischen Erscheinungen führt. Der chemische Mechanismus der toxischen Wirkung einiger Spurenelemente wird im Folgenden diskutiert.

Biogene Elemente werden in der Landwirtschaft häufig eingesetzt. Die Zugabe kleiner Mengen von Mikroelementen zum Boden – Bor, Kupfer, Mangan, Zink, Kobalt, Molybdän – steigert den Ertrag vieler Nutzpflanzen dramatisch. Es stellt sich heraus, dass Mikroelemente durch die Erhöhung der Aktivität von Enzymen in Pflanzen die Synthese von Proteinen, Vitaminen, Nukleinsäuren, Zucker und Stärke fördern. Einige der chemischen Elemente wirken sich positiv auf die Photosynthese aus, beschleunigen das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen sowie die Samenreifung. Zur Steigerung der Produktivität werden Tierfutter Mikroelemente zugesetzt.

Verschiedene Elemente und ihre Verbindungen werden häufig als Arzneimittel verwendet.

Daher trägt die Untersuchung der biologischen Rolle chemischer Elemente und die Aufklärung der Beziehung zwischen dem Stoffwechsel dieser Elemente und anderen biologisch aktiven Substanzen – Enzymen, Hormonen, Vitaminen – zur Entwicklung neuer Medikamente und zur Entwicklung optimaler Dosierungsschemata sowohl für therapeutische als auch prophylaktische Zwecke bei Zwecke.