Biološka uloga elemenata u tragovima u stanici. Kemijski elementi u stanicama živih organizama. Kemijski elementi u ljudskom tijelu

Biološka uloga kemijskih elemenata u živim organizmima

1. Makro i mikroelementi u okolišu i ljudskom organizmu

Biološka uloga kemijskih elemenata u ljudskom tijelu izuzetno je raznolika.

Glavna funkcija makronutrijenata je izgradnja tkiva, održavanje stalnog osmotskog tlaka, ionskog i acidobaznog sastava.

Kemijski elementi i živa bića

Kao što je gore navedeno, živa bića se sastoje od mnogih kemijskih elemenata. Treba napomenuti da su u živim organizmima najzastupljeniji ugljik, kisik i kisik koji čine 90% žive tvari. Ova četiri elementa sastavni su dijelovi nekih bioloških molekula poput ugljikohidrata, proteina i bjelančevina. Ostali elementi poput fosfora, sumpora, kalcija i kalija nalaze se u manjim količinama.

Ugljik je četvrti najzastupljeniji element u svemiru i osnova je života na planeti Zemlji. Kao što je objašnjeno u prethodnom odjeljku, sva su živa bića građena od ugljika. Ovaj element ima molekularnu strukturu koja vam omogućuje stvaranje različitih veza s više elemenata, što je prednost.

Elementi u tragovima, koji su dio enzima, hormona, vitamina, biološki djelatne tvari kao kompleksirajuća sredstva ili aktivatori, sudjeluju u metabolizmu, procesima reprodukcije, tkivnom disanju, neutralizaciji otrovne tvari. Elementi u tragovima aktivno utječu na procese hematopoeze, oksidaciju - oporavak, propusnost krvnih žila i tkiva. Makro i mikroelementi - kalcij, fosfor, fluor, jod, aluminij, silicij određuju formiranje koštanog i zubnog tkiva.

Ugljik cirkulira kopnom, oceanom i kopnom, stvarajući ono što je poznato kao ciklus ugljika. Ciklus ugljika odnosi se na proces recikliranja ovog elementa. Životinje konzumiraju glukozu tijekom metabolizma hrane i disanja. Ova se molekula spaja s kisikom i stvara ugljični dioksid, vodu i energiju, koja se oslobađa kao toplina.

Kemijska reakcija fotosinteze

Životinjama nije potreban ugljikov dioksid pa ga ispuštaju u atmosferu. S druge strane, biljke mogu koristiti ovaj plin kroz proces tzv. Ovaj proces zahtijeva tri elementa.

Ugljični dioksid koji ulazi u biljke kroz puči u lišću.
Voda koju apsorbira korijen biljaka.
Sunčeva energija uhvaćena klorofilom.
Pustite kisik unutra lako vrijeme faze fotosinteze.
One sintetiziraju ugljikohidrate poput glukoze tijekom tamne faze fotosinteze.

Životinje uzimaju kisik i troše biljnu glukozu i tako ciklus počinje iznova.

Postoje dokazi da se sadržaj nekih elemenata u ljudskom tijelu mijenja s godinama. Dakle, sadržaj kadmija u bubrezima i molibdena u jetri raste sa starošću. Maksimalni sadržaj cinka uočen je tijekom puberteta, zatim se smanjuje i u starijoj dobi doseže minimum. Sadržaj ostalih elemenata u tragovima, poput vanadija i kroma, također se smanjuje s godinama.

Utjecaj ostalih elemenata biljaka, životinja i prokariota

Biokemija je proučavanje komponenti žive tvari, njezinih reakcija i odnosa s okolišem.

Periodni sustav: atomi, elementi i izotopi - Mission Genesis.
"Cigle" za izgradnju živih organizama.

Kemijski elementi Periodni sustav elemenata.

Dmitrij Ivanovič Mendeljejev bio je ruski kemičar koji je zaslužan za stvaranje prve verzije periodnog sustava elemenata. Tijekom pisanja svog djela "Načela kemije" i pokušaja grupiranja elemenata prema njihovim kemijskim svojstvima pronašao je Opće karakteristike. Kemijski elementi koji čine stanice, osnovne jedinice svih živih organizama, su 24 i prisutni su u većoj ili manjoj mjeri. Vodik, kisik, ugljik i dušik čine preko 99% atoma u ljudskom tijelu. Ovi elementi su najlakši, sposobni za stvaranje takvih veza - jača veza. U ionima je ovaj broj drugačiji. Od njih, "nespareni" elektroni su čestice odgovorne za svojstva dokazana elementima.

Grupirao je elemente u ono što je nazvao periodnim sustavom.
Periodni sustav trenutno sadrži 117 elemenata.
Ovaj broj je još uvijek otvoren.
Tablica je organizirana po skupinama i razdobljima.
Atomski broj je broj protona prisutnih u jezgri.
Maseni broj je zbroj broja protona i broja neutrona.
Neutroni i protoni su nuklearne čestice.
Elektroni su raspoređeni u energetskim razinama oko jezgre.
U atomu je njegov broj jednak broju protona.
Valansni elektroni su elektroni najudaljenijeg sloja atoma.

Molekule života Biomolekule.

Identificirane su mnoge bolesti povezane s nedostatkom ili prekomjernim nakupljanjem različitih elemenata u tragovima. Nedostatak fluora uzrokuje zubni karijes, nedostatak joda - endemsku gušavost, višak molibdena - endemski giht. Takvi obrasci povezani su s činjenicom da se u ljudskom tijelu održava ravnoteža optimalnih koncentracija biogenih elemenata – kemijska homeostaza. Povreda ove ravnoteže zbog nedostatka ili viška elementa može dovesti do raznih bolesti.

To je zbog velike svestranosti ovog elementa za formiranje vrlo stabilan kovalentne veze S različite vrste geometrija. Neki videozapisi ilustriraju svestranost atoma ugljika u formiranju različitih molekula i njihovu važnost za život: Ugljični alkaloidi Steroidi Sintetski steroidi Kortizon. Vodik, koji ima samo jedan valentni elektron, može tvoriti samo jednostruke veze. Izomeri su kemijski spojevi s istim atomima u jednakim količinama, ali čiji je prostorni raspored različit. Atomi imaju takav prostorni raspored da se strukture zrcale jedna drugu u zrcalu, tako da se ne mogu preklopiti bez uništavanja veza. Geometrijski - njegov izgled povezan je s postojanjem dvostruke veze, što podrazumijeva ograničenje u rotaciji strukture i rasporedu atoma oko te veze.

Sve biomolekule sadrže ugljik.
Kisik može sudjelovati u stvaranju dvostrukih veza.
Razmotrite 3 tipa izomera: strukturne enantiomere ili optičke izomere.
Geometrijski.
Strukturni – spojevi u kojima je raspored skupina atoma različit.
Optički enantiomeri ili izomeri.
Ako je veza jednostavna veza, slobodno se može okretati.

Kemijska veza.

Osim šest glavnih makronutrijenata – organogena – ugljika, vodika, dušika, kisika, sumpora i fosfora, koji čine ugljikohidrate, masti, bjelančevine i nukleinske kiseline, za normalnu prehranu ljudi i životinja, "anorganski" makroelementi - kalcij, klor, magnezij, kalij, natrij - i mikroelementi - bakar, fluor, jod, željezo, molibden, cink, a također, eventualno (dokazano za životinje), selen, arsen, krom, nikal, silicij, kositar, vanadij.

Dva postavljena atoma kemijska veza kada se približavaju, njihova energija je niska, što pogoduje procesu vezivanja. Dakle, energija zračenja: - raste s porastom frekvencije - opada s porastom sadržaja. val. To je količina energije potrebna za prekid uspostavljene veze. . Postoji nekoliko raspona zračenja s različitim valnim duljinama.

Ako energija zračenja nije dovoljna da izazove kemijsko vezivanje, ipak može uzrokovati toplinske oscilacije veza i rotacije. Primjer ovog fenomena je upotreba mikrovalna pećnica, koji vibriranjem molekula vode sadržanih u hrani pridonosi njezinom zagrijavanju. Funkcionalna skupina je atom ili skup atoma koji definiraju strukturu dane obitelji kemijski spojevi. Ova funkcionalna skupina odgovorna je za Kemijska svojstva potvrdila je ova obitelj. Funkcionalne skupine su primjeri karbonilkarboksil hidroksilfenilamina i amida i imina. U vodenom okruženju poželjni su procesi ionizacije u skladu s pH okoline. . Bez toga ne bismo mogli učiniti gotovo ništa, jer ne bismo imali dovoljno energije.

Manjak dijeta elemenata kao što su željezo, bakar, fluor, cink, jod, kalcij, fosfor, magnezij i neki drugi, dovodi do ozbiljne posljedice za ljudsko zdravlje.

Međutim, treba imati na umu da je ne samo nedostatak, već i višak biogenih elemenata štetan za tijelo, jer to narušava kemijsku homeostazu. Na primjer, unosom viška mangana hranom, razina bakra u plazmi raste (sinergizam Mn i Cu), a u bubrezima se smanjuje (antagonizam). Povećanje sadržaja molibdena u hrani dovodi do povećanja količine bakra u jetri. Višak cinka u hrani uzrokuje inhibiciju aktivnosti enzima koji sadrže željezo (antagonizam Zn i Fe).

Kisik je uključen u naš aerobni sustav disanja. Djeluje na kraju aerobnog metabolizma tako što se veže za vodike koji se oslobađaju tijekom proizvodnje energije. Kisik je važan element prisutan u našem životu, u obliku kisika kisika, igra ključnu ulogu u životu većine živih bića, uključujući i ljude. Kisik ima veliki značaj, možda i najvažnija stvar za sva živa bića, jer je udišemo. U ljudskom tijelu služi kako bi stanično disanje bilo neophodno za ljudski život. 2-ugljik.

Mineralne komponente, koje su u neznatnim količinama vitalne, s više visoke koncentracije postati otrovan.

Brojni elementi (srebro, živa, olovo, kadmij i dr.) smatraju se toksičnima, jer njihov ulazak u organizam već u tragovima dovodi do teških patoloških pojava. kemijski mehanizam toksični učinci o nekim elementima u tragovima bit će riječi u nastavku.

Nakon što se probavi, ugljik je više nego spreman dati energiju. Pretvaraju se u glukozu. Kruži kroz krv i odmah opskrbljuje energijom. Jetra i mišići mogu skladištiti ugljik u obliku glikogena. Tijekom vježbanja, glikogen se može koristiti kao energija. Tijelo koristi ugljik prvenstveno za opskrbu mišićima energijom kako bi oni mogli raditi. jedan je od naj važni elementi, koji su više dio osnovne konstitucije našeg tijela.

Sadržaj koncentracije vodika u optimalnom rasponu za stanični metabolizam ovisi o eliminaciji ugljičnog dioksida u plućima, eliminaciji vodika putem bubrega i djelovanju intra- i izvanstaničnih puferskih sustava. Način na koji tijelo regulira koncentraciju vodika od temeljne je važnosti za praćenje i procjenu promjena u ravnoteži između kiselina i baza unutar stanica, u okolnoj tekućini i u krvi. Vodik je izuzetno pokretljiva čestica; promjene njegove koncentracije utječu na staničnu distribuciju drugih iona kao što su natrij, kalij i kloridi te modificiraju aktivnost proteina, posebice enzima.

Pronađeni biogeni elementi široka primjena V poljoprivreda. Dodavanje malih količina mikroelemenata - bora, bakra, mangana, cinka, kobalta, molibdena - u tlo dramatično povećava prinose mnogih usjeva. Pokazalo se da mikroelementi, povećavajući aktivnost enzima u biljkama, doprinose sintezi proteina, vitamina, nukleinskih kiselina, šećera i škroba. Neki od kemijskih elemenata pozitivno utječu na fotosintezu, ubrzavaju rast i razvoj biljaka, sazrijevanje sjemena. Elementi u tragovima dodaju se hrani za životinje kako bi se povećala njihova produktivnost.

Dušik - Dušik zapravo nije bitan za naše tijelo, jer ono ne asimilira dušik u obliku koji je u atmosferi. Međutim, dušik ima važnu ulogu u hranidbenom lancu jer ga preuzimaju mikroorganizmi prisutni u korijenju biljaka. Erobiološke prednosti i dobrobiti za mesojede u ciklusu hrane i dušik postaje protein. Fosfor također igra važnu ulogu u formiranju stanične membrane, budući da je uključen u sastav fosfolipida. Istodobno, zubi su zaštićeni od korozivnog djelovanja kiselina koje nastaju tijekom fermentacije bakterija u ustima, čime se izbjegava karijes.

Razni elementi i njihovi spojevi naširoko se koriste kao lijekovi.

Dakle, proučavanje biološke uloge kemijskih elemenata, rasvjetljavanje odnosa između izmjene tih elemenata i drugih biološki aktivnih tvari - enzima, hormona, vitamina pridonosi stvaranju novih lijekovi i razvoj optimalnih režima doziranja i za terapijske i za profilaktičke svrhe.

Nalazi se u fluoriranoj vodi. Pretjerana konzumacija doprinosi pojavi mrlja na zubima. Djeluje s natrijem i kloridom za održavanje osmotske stanične ravnoteže, pomažući u uklanjanju viška vode iz tijela i reguliranju pH krvi. Djeluje na metabolizam ugljikohidrata i bjelančevina. Ima ga u mesu, mlijeku i mnogim vrstama voća, povrća i povrća. Istraživanja su pokazala da prehrana bogata kalijem sprječava hipertenziju i kardiovaskularne bolesti; Vaš nedostatak ili višak može dovesti do problema sa srcem.

Osnova za proučavanje svojstava elemenata i, posebno, njihove biološke uloge je periodični zakon D.I. Mendeljejev. Fizikalno-kemijske karakteristike, a time i njihova fiziološka i patološka uloga, određeni su položajem ovih elemenata u periodni sustav DI. Mendeljejev.

U pravilu, s povećanjem naboja jezgre atoma, povećava se toksičnost elemenata ove skupine i smanjuje se njihov sadržaj u tijelu. Smanjenje udjela očito je posljedica činjenice da mnoge elemente dugih razdoblja živi organizmi slabo apsorbiraju zbog velikih atomskih i ionskih radijusa, visokog nuklearnog naboja, složenosti elektroničkih konfiguracija i niske topljivosti spojeva. Tijelo sadrži značajne količine lakih elemenata.

Važan za ravnotežu tjelesnih tekućina; potrebno izvršiti živčani impuls. Nalazi se u kuhinjskoj soli, morski proizvodi, u stočarstvu i industrijskog podrijetla. Pretjerana konzumacija predisponira hipertenziju i preopterećenje bubrega.

Sastojak mnogih enzima, uključujući respiratorne enzime i enzime uključene u sintezu hemoglobina. Nalazi se u jetri, jajima, ribi, morskim plodovima, čokoladi, integralnom zrnu pšenice i grahu. Ako je unos vitamina C ili željeza vrlo visok, dolazi do smetnji u metabolizmu bakra.

Pronađite cjelovite žitarice žumanjak jajeta i zeleno povrće. Neophodan je za zgrušavanje krvi i neophodan je za normalan rad živaca i mišića, uključujući srce, kao i normalan rad plazma membrane. Sprječava osteoporozu, stvaranje ugrušaka i pomaže u smanjenju arterijski tlak. Uključen je u strukturu proteina nukleinskih kiselina. Ima ga u zelenom povrću, mlijeku i mliječnim proizvodima, kamenicama, sardinama, soji. Znakovi nedostatka uključuju napadaje, nervozu, lupanje srca i lomljive nokte.

U makroelemente spadaju s-elementi prve (vodik), treće (natrij, magnezij) i četvrte (kalij, kalcij) perioda, kao i p-elementi druge (ugljik, dušik, kisik) i treće (fosfor, sumpor, klor) razdoblja. Svi su oni vitalni. Većina preostalih s- i p-elemenata prva tri razdoblja (Li, B, Al, F) su fiziološki aktivni, s- i p-elementi duga razdoblja(n>4) rijetko se ponašaju kao neophodni. Izuzetak su s-elementi - kalij, kalcij, jod. Fiziološki aktivni uključuju neke s- i p-elemente četvrtog i petog razdoblja - stroncij, arsen, selen, brom.

Među d-elementima vitalni su uglavnom elementi četvrtog razdoblja: mangan, željezo, cink, bakar, kobalt. U U zadnje vrijeme utvrdio da nema sumnje fiziološka uloga i neki drugi d-elementi ovog razdoblja: titan, krom, vanadij.

d-Elementi pete i šeste dobe, s izuzetkom molibdena, ne pokazuju izraženu pozitivnu fiziološku aktivnost. Molibden je, s druge strane, dio brojnih redoks enzima (primjerice, ksantin oksid, aldehid oksidaza) i ima važnu ulogu u tijeku biokemijskih procesa.

2. Opći aspekti toksičnosti teški metali za žive organizme

Sveobuhvatno proučavanje problema vezanih uz procjenu stanja prirodnog okoliša pokazuje da je vrlo teško povući jasnu granicu između prirodnih i antropogenih čimbenika u promjenjivim ekološkim sustavima. Posljednjih desetljeća uvjerio nas u to. da utjecaj čovjeka na prirodu nanosi joj ne samo izravnu, lako uočljivu štetu, nego uzrokuje i niz novih, često skriveni procesi, transformirati ići uništavati okoliš. Prirodni i antropogeni procesi u biosferi u složenom su odnosu i međuovisnosti. Dakle, na tijek kemijskih transformacija koje dovode do stvaranja otrovnih tvari utječu klima, stanje pokrova tla, vode, zraka, razina radioaktivnosti itd. U sadašnjim uvjetima, pri proučavanju procesa kemijskog onečišćenja ekosustava, javlja se problem pronalaženja prirodnih, uglavnom zbog prirodni faktori, razine sadržaja određenih kemijskih elemenata ili spojeva. Rješenje ovog problema moguće je samo na temelju dugotrajnih sustavnih promatranja stanja komponenti biosfere, sadržaja razne tvari, odnosno na temelju monitoringa okoliša.

Onečišćenje okoliša teškim metalima izravno je povezano s ekološkim i analitičkim praćenjem supertoksikanata, budući da mnogi od njih već u tragovima pokazuju visoku toksičnost i mogu se koncentrirati u živim organizmima.

Glavni izvori onečišćenja okoliša teškim metalima mogu se podijeliti na prirodne (prirodne) i umjetne (antropogene). U prirodne spadaju vulkanske erupcije, prašne oluje, šumski i stepski požari, morske soli raznesena vjetrom, vegetacijom i sl. Prirodni izvori onečišćenja su sustavni, jednolični ili kratkotrajni spontani i u pravilu malo utječu na ukupnu razinu onečišćenja. Glavni i najvažniji opasnih izvora onečišćenja prirode teškim metalima su antropogena.

U procesu proučavanja kemije metala i njihovih biokemijskih ciklusa u biosferi, otkriva se dvostruka uloga koju imaju u fiziologiji: s jedne strane, većina metala neophodna je za normalno odvijanje života; s druge strane, na povišene koncentracije vrlo su otrovni loš utjecaj o stanju i aktivnosti živih organizama. Granica između potrebnih i toksičnih koncentracija elemenata vrlo je nejasna, što otežava pouzdanu procjenu njihova utjecaja na okoliš. Količina pri kojoj neki metali postaju doista opasni ne ovisi samo o stupnju onečišćenja ekosustava njima, već i o kemijskim karakteristikama njihovog biokemijskog ciklusa. U tablici. 1 prikazuje niz molarne toksičnosti metala za različiti tipoviživući organizmi.

Tablica 1. Reprezentativni slijed molarne toksičnosti metala

Organizmi Niz toksičnosti Alge Hg>Cu>Cd>Fe>Cr>Zn>Co>MnFungiAg>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Zn>Fe >Zn > Pb> CdFishAg>Hg>Cu> Pb> Cd>Al> Zn> Ni> Cr>Co>Mn>>SrSisavciAg, Hg, Cd> Cu, Pb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe , Cr >> Sr >Ss, Li, Al

Za svaku vrstu organizma redoslijed metala u recima tablice slijeva na desno odražava povećanje molarne količine metala potrebnog za ispoljavanje učinka toksičnosti. Minimalna molarna vrijednost odnosi se na metal s najvećom toksičnošću.

V.V. Kovalsky je, na temelju njihove važnosti za život, podijelio kemijske elemente u tri skupine:

Vitalni (nezamjenjivi) elementi koji se stalno nalaze u tijelu (u sastavu su enzima, hormona i vitamina): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu , Co, Fe, Mo, V. Njihov nedostatak dovodi do poremećaja normalnog života ljudi i životinja.

Tablica 2. Karakteristike nekih metaloenzima - bioanorganskih kompleksa

Metal-enzim Središnji atom Ligand okolina Objekt koncentracije Djelovanje enzima Karboanhidraza Zn (II) Aminokiselinski ostaci Eritrociti Katalizira reverzibilnu hidrataciju ugljičnog dioksida: CO 2+H 2O↔N 2TAKO 3↔N ++NSO 3Zn (II) karboksipeptidaza Aminokiselinski ostaci Gušterača, jetra, crijeva Katalizira probavu proteina, sudjeluje u hidrolizi peptidne veze: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2NH 2Katalaza Fe (III) Ostaci aminokiselina, histidin, tirozin Krv Katalizira reakciju razgradnje vodikovog peroksida: 2H 2OKO 2= 2H 2O + O 2Fe(III) peroksidaza ProteiniTkivo, krvOksidacija supstrata (RH 2) vodikov peroksid: RH 2+ H 2O 2=R+2H 2Oksireduktaza Cu (II) Ostaci aminokiselina Srce, jetra, bubrezi Katalizira oksidaciju uz pomoć molekularnog kisika: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Piruvat karboksilaza Mn (II) Proteini tkiva Jetra, štitna žlijezda Pospješuje djelovanje hormona. Katalizira proces karboksilacije pirogrožđanom kiselinom Aldehid oksidaza Mo (VI) Tkivni proteini Jetra Sudjeluje u oksidaciji aldehida Ribonukleotid reduktaza Co (II) Tkivni proteini Jetra Sudjeluje u biosintezi ribonukleinskih kiselina

nečistoće trajno sadržane u tijelu: 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. Njihova je biološka uloga slabo shvaćena ili nepoznata.
elementi nečistoće koji se nalaze u tijelu Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb itd. Podaci o količini i biološkoj ulozi nisu jasni.
Tablica prikazuje karakteristike niza metaloenzima, koji uključuju vitalne metale kao što su Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.
Ovisno o ponašanju u živim sustavima, metali se mogu podijeliti u 5 vrsta:
- potrebni elementi, s nedostatkom kojih dolazi do funkcionalnih poremećaja u tijelu;
- stimulansi (metali potrebni i nepotrebni za tijelo mogu djelovati kao stimulansi);
inertni elementi koji su u određenim koncentracijama bezopasni i nemaju nikakav učinak na tijelo (primjerice, inertni metali koji se koriste kao kirurški implantati):
terapeutska sredstva koja se koriste u medicini;
toksični elementi, u visokim koncentracijama dovode do nepovratnih funkcionalnih poremećaja, smrti tijela.
Ovisno o koncentraciji i vremenu kontakta, metal može djelovati prema jednoj od navedenih vrsta.
Slika 1. prikazuje dijagram ovisnosti stanja organizma o koncentraciji metalnih iona. Puna krivulja na dijagramu opisuje trenutni pozitivan odgovor, optimalnu razinu i prijelaz. pozitivan učinak na negativan nakon prolaska vrijednosti koncentracije traženog elementa kroz maksimum. Pri visokim koncentracijama traženi metal postaje toksičan.
Točkasta krivulja prikazuje biološki odgovor na metal otrovan za tijelo bez učinka esencijalnog ili stimulirajućeg elementa. Ova krivulja dolazi s određenim kašnjenjem, što ukazuje na sposobnost živog organizma da "ne reagira" na male količine otrovna tvar(koncentracija praga).
Iz dijagrama proizlazi da potrebni elementi postaju otrovni u prevelikim količinama. Organizam životinja i ljudi kroz kompleks održava koncentraciju elemenata u optimalnom rasponu fiziološki procesi zove se homeostaza. Koncentracija svih, bez iznimke, potrebnih metala je pod strogom kontrolom homeostaze.

Slika 1 Biološki odgovor ovisno o koncentraciji metala. ( Uzajamni dogovor dvije krivulje u odnosu na ljestvicu koncentracije uvjetno)
toksičnost metala trovanje ionima
Posebno je zanimljiv sadržaj kemijskih elemenata u ljudskom tijelu. Ljudski organi različito koncentriraju različite kemijske elemente u sebi, odnosno makro- i mikroelementi su neravnomjerno raspoređeni između različitih organa i tkiva. Većina elemenata u tragovima (sadržaj u tijelu je unutar 10 -3-10-5%) nakuplja se u jetri, kostima i mišićno tkivo. Ove su tkanine glavni depo za mnoge metale.
Elementi mogu pokazivati specifičan afinitet za određene organe i biti sadržani u njima u visokim koncentracijama. Poznato je da je cink koncentriran u gušterači, a jod u Štitnjača, vanadij se, zajedno s aluminijem i arsenom, nakuplja u kosi i noktima, kadmij, živa, molibden - u bubrezima, kositar u crijevnim tkivima, stroncij - u prostate, koštano tkivo, mangan u hipofizi itd. U tijelu se elementi u tragovima mogu naći u vezano stanje, te u obliku slobodnih ionskih oblika. Utvrđeno je da su aluminij, bakar i titan u tkivima mozga u obliku kompleksa s proteinima, dok je mangan u ionskom obliku.
Kao odgovor na unos prekomjernih koncentracija elemenata u tijelo, živi organizam je u stanju ograničiti ili čak eliminirati nastali toksični učinak zbog prisutnosti određenih mehanizama detoksikacije. Specifični mehanizmi detoksikacije u odnosu na metalne ione trenutno nisu dobro shvaćeni. Mnogi metali u tijelu mogu se pretvoriti u manje štetne oblike na sljedeće načine:
stvaranje netopljivih kompleksa u crijevni trakt;
transport metala krvlju do drugih tkiva gdje se može imobilizirati (kao npr. Pb + 2 u kostima);

- transformacija putem jetre i bubrega u manje toksičan oblik.

Dakle, kao odgovor na djelovanje toksičnih iona olova, žive, kadmija itd., ljudska jetra i bubrezi povećavaju sintezu metalotiona - proteina niske molekularne težine, u kojima je otprilike 1/3 aminokiselinskih ostataka cistein. . Visok sadržaj a specifičan raspored sulfhidrilnih SH-skupina omogućuje snažno vezanje metalnih iona.

Mehanizmi toksičnosti metala općenito su dobro poznati, ali ih je vrlo teško pronaći za bilo koji metal. Jedan od tih mehanizama je koncentracija između esencijalnih i toksičnih metala za posjedovanje veznih mjesta u proteinima, jer metalni ioni stabiliziraju i aktiviraju mnoge proteine, budući da su dio mnogih enzimskih sustava. Osim toga, mnoge proteinske makromolekule imaju slobodne sulfhidrilne skupine koje mogu stupiti u interakciju s ionima otrovnih metala kao što su kadmij, olovo i živa, što dovodi do toksičnih učinaka. Međutim, nije točno utvrđeno koje makromolekule u ovom slučaju štete živom organizmu. Manifestacija toksičnosti metalnih iona u različita tijela i tkiva nije uvijek povezana s razinom njihove akumulacije – nema jamstva da se najveće oštećenje događa u onom dijelu tijela gdje je koncentracija ovog metala veća. Dakle, ioni olova (II), budući da je više od 90% ukupne količine u tijelu imobilizirano u kostima, pokazuju toksičnost jer ih je 10% raspoređeno u drugim tkivima tijela. Imobilizacija iona olova u kostima može se smatrati procesom detoksikacije.

Toksičnost metalnog iona obično nije povezana s njegovom potrebom za tijelo. Međutim, toksičnost i nužnost imaju jedno zajedničko: u pravilu postoji međusobni odnos metalnih iona, kao i između metalnih i nemetalnih iona, u ukupnom doprinosu učinkovitosti njihova djelovanja. Na primjer, toksičnost kadmija je izraženija u sustavu s nedostatkom cinka, dok je toksičnost olova pogoršana nedostatkom kalcija. Slično, adsorpcija željeza iz biljne hrane je inhibirana ligandima koji stvaraju komplekse prisutnima u njoj, a višak iona cinka može inhibirati adsorpciju bakra, itd.

Biološka uloga kemijskih elemenata u ljudskom tijelu izuzetno je raznolika.

Glavna funkcija makronutrijenata je izgradnja tkiva, održavanje stalnog osmotskog tlaka, ionskog i acidobaznog sastava.

Elementi u tragovima, koji su dio enzima, hormona, vitamina, biološki aktivnih tvari kao kompleksni agensi ili aktivatori, uključeni su u metabolizam, reprodukcijske procese, disanje tkiva i neutralizaciju toksičnih tvari. Elementi u tragovima aktivno utječu na procese hematopoeze, oksidaciju - oporavak, propusnost krvnih žila i tkiva. Makro- i mikroelementi - kalcij, fosfor, fluor, jod, aluminij, silicij - određuju stvaranje koštanog i zubnog tkiva.

Učinak nedostatka ili viška elementa može dovesti do raznih bolesti

Osim šest glavnih makroelemenata - organogena - ugljika, vodika, dušika, kisika, sumpora i fosfora, koji čine ugljikohidrate, masti, bjelančevine i nukleinske kiseline, za normalno funkcioniranje potrebni su "anorganski" makroelementi - kalcij, klor, magnezij, kalij. prehrana ljudi i životinja, natrij - i elementi u tragovima - bakar, fluor, jod, željezo, molibden, cink, a također, moguće (dokazano za životinje), selen, arsen, krom, nikal, silicij, kositar, vanadij.

Nedostatak elemenata poput željeza, bakra, fluora, cinka, joda, kalcija, fosfora, magnezija i nekih drugih u prehrani dovodi do ozbiljnih posljedica po ljudsko zdravlje.

Međutim, treba imati na umu da je ne samo nedostatak, već i višak biogenih elemenata štetan za tijelo, jer to narušava kemijsku homeostazu. Na primjer, kada se hranom unese višak mangana, povećava se razina bakra u plazmi (sinergizam Mn i Cu), a u bubrezima se smanjuje (antagonizam). Povećanje sadržaja molibdena u hrani dovodi do povećanja količine bakra u jetri. Višak cinka u hrani uzrokuje inhibiciju aktivnosti enzima koji sadrže željezo (antagonizam 2n i Re).

Mineralne komponente, koje su vitalne u zanemarivim količinama, u višim koncentracijama postaju toksične.

Vitalna nužnost, nedostatak, toksičnost kemijskog elementa prikazani su u obliku krivulje ovisnosti "Koncentracija elementa u prehrambeni proizvodi- reakcija tijela "(Sl. 5.5). Približno vodoravni dio krivulje (plato) opisuje područje koncentracija koje odgovaraju optimalnom rastu, zdravlju, reprodukciji. Veliki opseg platoa ukazuje ne samo na nisku toksičnost elementa, već i na veliku sposobnost prilagodbe organizma na značajne promjene u sadržaju ovog elementa. Naprotiv, uski plato ukazuje na značajnu toksičnost elementa i oštar prijelaz od količina potrebnih tijelu do opasnih po život. Napuštanjem platoa (povećanje koncentracije elementa u tragovima) svi elementi postaju toksični. U konačnici, značajno povećanje koncentracije elemenata u tragovima može biti kobno.

Niz elemenata (srebro, živa, olovo, kadmij, itd.)

su toksični, jer njihov ulazak u organizam već u mikrokoličinama dovodi do teških patoloških pojava. O kemijskom mehanizmu toksičnih učinaka nekih elemenata u tragovima bit će riječi u nastavku.

Biogeni elementi imaju široku primjenu u poljoprivredi. Dodavanje malih količina mikroelemenata - bora, bakra, mangana, cinka, kobalta, molibdena - u tlo dramatično povećava prinose mnogih usjeva. Pokazalo se da mikroelementi, povećavajući aktivnost enzima u biljkama, doprinose sintezi proteina, vitamina, nukleinskih kiselina, šećera i škroba. Neki od kemijskih elemenata pozitivno utječu na fotosintezu, ubrzavaju rast i razvoj biljaka, sazrijevanje sjemena. Elementi u tragovima dodaju se hrani za životinje kako bi se povećala njihova produktivnost.

Razni elementi i njihovi spojevi naširoko se koriste kao lijekovi.

Dakle, proučavanje biološke uloge kemijskih elemenata, razjašnjavanje odnosa između izmjene tih elemenata i drugih biološki aktivnih tvari - enzima, hormona, vitamina - doprinosi stvaranju novih lijekova i razvoju optimalnih režima doziranja za kako u terapijske tako i u profilaktičke svrhe.