세포 내 미세요소의 생물학적 역할. 살아있는 유기체의 세포에 있는 화학 원소. 인체의 화학 원소

살아있는 유기체에서 화학 원소의 생물학적 역할

1. 환경과 인체의 거시적 요소와 미시적 요소

인체에서 화학 원소의 생물학적 역할은 매우 다양합니다.

거대 요소의 주요 기능은 조직을 만들고 일정한 삼투압, 이온 및 산-염기 구성을 유지하는 것입니다.

생물학적으로 효소, 호르몬, 비타민의 일부인 미량 원소 활성 물질착화제 또는 활성제로서 신진대사, 재생 과정, 조직 호흡, 중화에 참여합니다. 독성 물질. 미세 요소는 조혈, 산화-환원, 혈관 및 조직의 투과성 과정에 적극적으로 영향을 미칩니다. 거대 및 미량 원소 - 칼슘, 인, 불소, 요오드, 알루미늄, 규소는 뼈와 치아 조직의 형성을 결정합니다.

인체의 일부 요소의 함량이 나이에 따라 변한다는 증거가 있습니다. 따라서 나이가 들수록 신장의 카드뮴 함량과 간의 몰리브덴 함량이 증가합니다. 최대 아연 함량은 사춘기 동안 관찰되며 노년기에 감소하여 최소에 도달합니다. 바나듐, 크롬과 같은 기타 미량 원소의 함량도 나이가 들수록 감소합니다.

다양한 미량원소의 결핍 또는 과잉 축적과 관련된 많은 질병이 확인되었습니다. 불소 결핍은 충치를 유발하고, 요오드 결핍은 풍토성 갑상선종을 유발하며, 과도한 몰리브덴은 풍토성 통풍을 유발합니다. 이러한 종류의 패턴은 인체가 생물학적 요소의 최적 농도, 즉 화학적 항상성의 균형을 유지한다는 사실과 관련이 있습니다. 요소의 결핍이나 과잉으로 인해 이러한 균형이 깨지면 다양한 질병이 발생할 수 있습니다.

탄수화물, 지방, 단백질을 구성하는 6가지 주요 거대원소인 유기물(탄소, 수소, 질소, 산소, 황, 인) 외에도 핵산, 인간과 동물의 정상적인 영양을 위해서는 칼슘, 염소, 마그네슘, 칼륨, 나트륨 등의 "무기"거시 원소와 구리, 불소, 요오드, 철, 몰리브덴, 아연 및 미량 원소가 필요하며 아마도 (동물에 대해 입증됨) , 셀레늄, 비소, 크롬, 니켈, 실리콘, 주석, 바나듐.

부족 다이어트철, 구리, 불소, 아연, 요오드, 칼슘, 인, 마그네슘 등과 같은 원소는 심각한 결과인간의 건강을 위해.

그러나 화학적 항상성이 파괴되기 때문에 결핍뿐만 아니라 과도한 영양소도 신체에 해롭다는 점을 기억해야합니다. 예를 들어, 과도한 망간을 음식과 함께 섭취하면 혈장 내 구리 수준이 증가하고(Mn과 Cu의 상승작용) 신장에서는 감소합니다(길항작용). 식품의 몰리브덴 함량이 증가하면 간의 구리 양이 증가합니다. 식품에 아연이 너무 많으면 철 함유 효소의 활성이 억제됩니다(Zn과 Fe의 길항작용).

미미한 양이지만 더 많은 미네랄 성분이 필수적입니다. 고농도독성이 됩니다.

많은 원소(은, 수은, 납, 카드뮴 등)는 미량이라도 체내에 유입되면 심각한 병리 현상을 일으키기 때문에 독성이 있는 것으로 간주됩니다. 화학적 메커니즘 독성 효과일부 미세 요소는 아래에서 논의됩니다.

생체 성분 발견 폭넓은 적용 V 농업. 붕소, 구리, 망간, 아연, 코발트, 몰리브덴 등 소량의 미량 원소를 토양에 첨가하면 많은 작물의 수확량이 극적으로 증가합니다. 미량원소는 식물의 효소 활성을 증가시켜 단백질, 비타민, 핵산, 당 및 전분의 합성을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 일부 화학 원소는 광합성에 긍정적인 영향을 미치고 식물의 성장과 발달을 촉진하며 종자 숙성을 촉진합니다. 생산성을 높이기 위해 동물 사료에 미량원소를 첨가합니다.

다양한 원소와 그 화합물이 의약품으로 널리 사용됩니다.

따라서 화학 원소의 생물학적 역할을 연구하고 이러한 원소와 다른 생물학적 활성 물질(효소, 호르몬, 비타민)의 교환 사이의 관계를 밝히면 새로운 물질 생성에 기여합니다. 약치료 및 예방 목적을 위한 최적의 투여량 요법 개발.

요소의 특성, 특히 생물학적 역할을 연구하는 기초는 D.I의 주기율입니다. 멘델레예프. 물리화학적 특성, 결과적으로 이들 요소의 생리적, 병리학적 역할은 이러한 요소의 위치에 따라 결정됩니다. 주기율표디. 멘델레예프.

일반적으로 원자의 핵전하가 증가하면 해당 그룹의 원소의 독성이 증가하고 신체 내 함량이 감소합니다. 함량의 감소는 분명히 큰 원자 및 이온 반경, 높은 핵 전하, 전자 구성의 복잡성 및 화합물의 낮은 용해도로 인해 장기간의 많은 원소가 살아있는 유기체에 잘 흡수되지 않는다는 사실에 기인합니다. 몸에는 상당한 양의 가벼운 요소가 포함되어 있습니다.

매크로원소에는 첫 번째(수소), 세 번째(나트륨, 마그네슘) 및 네 번째(칼륨, 칼슘) 기간의 s-원소와 두 번째(탄소, 질소, 산소) 및 세 번째(인, 황, 염소) 기간. 그들 모두는 매우 중요합니다. 처음 세 기간(Li, B, Al, F)의 나머지 s- 및 p-원소의 대부분은 생리적으로 활성이고 s- 및 p-원소입니다. 장기간(n>4) 대체 불가능한 역할을 하는 경우는 거의 없습니다. S-원소(칼륨, 칼슘, 요오드)는 예외입니다. 네 번째 및 다섯 번째 기간의 일부 s- 및 p-원소(스트론튬, 비소, 셀레늄, 브롬)는 생리학적 활성으로 분류됩니다.

d-원소 중에서 망간, 철, 아연, 구리, 코발트 등 주로 네 번째 기간의 원소가 중요합니다. 안에 최근에의심의 여지가 없다는 것이 확인되었습니다. 생리적 역할그리고 이 시기의 다른 d-원소: 티타늄, 크롬, 바나듐.

몰리브덴을 제외한 다섯 번째 및 여섯 번째 기간의 d-요소는 뚜렷한 긍정적인 생리적 활동을 나타내지 않습니다. 몰리브덴은 다양한 산화환원 효소(예: 산화잔틴, 알데히드 산화효소)의 일부이며 생화학적 과정에서 중요한 역할을 합니다.

2. 독성의 일반적인 측면 헤비 메탈살아있는 유기체를 위해

자연 환경 상태 평가와 관련된 문제에 대한 포괄적 인 연구는 생태계 변화의 자연적 요인과 인위적 요인 사이에 명확한 경계를 그리는 것이 매우 어렵다는 것을 보여줍니다. 최근 몇십 년우리에게 그것을 확신시켰습니다. 자연에 대한 인간의 영향은 즉각적이고 쉽게 식별할 수 있는 피해를 야기할 뿐만 아니라, 숨겨진 프로세스, 변형 또는 파괴 환경. 생물권의 자연적 과정과 인위적 과정은 복잡한 관계와 상호의존성을 갖고 있습니다. 따라서 독성 물질의 형성으로 이어지는 화학적 변형 과정은 기후, 토양 상태, 물, 공기, 방사능 수준 등에 의해 영향을 받습니다. 현재 상황에서 생태계의 화학적 오염 과정을 연구할 때 주로 발생하는 자연적 원인을 찾는 문제가 발생합니다. 자연적 요인, 특정 화학 원소 또는 화합물의 함량 수준. 이 문제에 대한 해결책은 생물권 구성 요소의 상태, 그 함량에 대한 장기간의 체계적인 관찰을 통해서만 가능합니다. 다양한 물질즉, 환경 모니터링을 기반으로 합니다.

중금속으로 인한 환경 오염은 초독성 물질의 환경 분석 모니터링과 직접적인 관련이 있습니다. 그 이유는 이들 중 다수가 미량으로도 높은 독성을 나타내고 살아있는 유기체에 농축될 수 있기 때문입니다.

중금속으로 인한 자연환경 오염의 주요 원인은 자연적(자연적)과 인공적(인위적)으로 나눌 수 있습니다. 자연 현상에는 화산 폭발, 먼지 폭풍, 산림 및 대초원 화재, 바다 소금, 바람, 초목 등에 의해 발생합니다. 자연 오염원은 체계적이거나 균일하거나 단기적으로 자연적으로 발생하며 일반적으로 전체 오염 수준에 거의 영향을 미치지 않습니다. 주요하고 가장 위험한 소스중금속으로 인한 자연 오염은 인위적입니다.

생물권에서 금속의 화학과 생화학적 순환을 연구하는 과정에서 금속이 생리학에서 수행하는 이중 역할이 드러납니다. 한편으로는 대부분의 금속은 정상적인 삶의 과정에 필요합니다. 반면에, 농도가 높아짐그들은 높은 독성을 나타냅니다. 즉, 유해한 영향살아있는 유기체의 상태와 활동에 관한 것입니다. 필수 원소 농도와 독성 원소 농도 사이의 경계는 매우 모호하여 환경에 미치는 영향을 안정적으로 평가하기 어렵습니다. 일부 금속이 실제로 위험해지는 정도는 생태계를 오염시키는 정도뿐 아니라 생화학적 순환의 화학적 특성에 따라 달라집니다. 테이블에 도 1은 금속의 일련의 몰독성을 보여준다. 다른 유형살아있는 유기체.

표 1. 금속의 몰독성의 대표적인 순서

유기체 독성 시리즈 조류Нg>Сu>Сd>Fe>Сr>Zn>Со>Мn 곰팡이Аg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>Fe꽃 피는 식물Hg>Рb>Сu>Сd>Сr>Ni>ZnAnnelidsHg >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

각 유기체 유형에 대해 표의 줄에 있는 금속 순서는 왼쪽에서 오른쪽으로 독성 효과를 생성하는 데 필요한 금속 몰량의 증가를 반영합니다. 최소 몰값은 독성이 가장 큰 금속을 나타냅니다.

V.V. 코왈스키는 생명에 대한 중요성에 기초하여 화학 원소를 세 그룹으로 나누었습니다.

신체에 지속적으로 포함된 필수(대체 불가능한) 요소(효소, 호르몬 및 비타민의 일부): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Mo, V. 결핍은 인간과 동물의 정상적인 기능을 방해합니다.

표 2. 일부 금속효소의 특성 - 생체무기 복합체

금속 효소 중심 원자 리간드 환경 농도 대상 효소 작용 탄산탈수효소 Zn(II) 아미노산 잔류물 적혈구 이산화탄소의 가역적 수화를 촉매합니다: CO 2+H 2O ← H 2콜로라도 3←H ++부가가치세 3카르보스키 펩티다제 Zn(II) 아미노산 잔기 췌장, 간, 내장 단백질 소화를 촉진하고 펩타이드 결합의 가수분해에 참여: R 1CO-NH-R 2+H 2O ← R 1-쿠오+R 2NH 2카탈라아제Fe(III)아미노산 잔기, 히스티딘, 티로신혈액과산화수소 분해 반응을 촉매: 2H 2에 대한 2= 2시간 2오 + 오 2과산화효소Fe(III)단백질조직, 혈액기질의 산화(RH 2) 과산화수소: RH 2+H 2영형 2= R + 2H 2OxyreductaseCu(II)아미노산 잔류물심장, 간, 신장분자 산소를 사용하여 산화 촉매: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O 피루베이트 카르복실라제 Mn(II) 조직 단백질 간, 갑상선 호르몬의 효과를 강화합니다. 피루브산으로 카르복실화 과정을 촉매합니다. 알데히드 산화효소 Mo(VI) 조직 단백질 간 알데히드의 산화에 참여합니다. 리보뉴클레오티드 환원효소 Co(II) 조직 단백질 간 리보핵산의 생합성에 참여합니다.

• 몸에 끊임없이 포함되어 있는 불순물 원소: 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. 그들의 생물학적 역할은 잘 이해되지 않거나 알려져 있지 않습니다.
• Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb 등 체내에서 발견되는 불순물 원소의 양과 생물학적 역할에 대한 데이터는 명확하지 않습니다.
• 표는 Zn, Fe, Cu, Mn, Mo와 같은 필수 금속을 포함하는 다양한 금속효소의 특성을 보여줍니다.
• 생명체의 행동에 따라 금속은 5가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
• - 필요한 요소, 결핍은 신체의 기능 장애를 유발합니다.
• - 자극제(신체에 필요한 금속과 불필요한 금속 모두 자극제로 작용할 수 있음)
• 특정 농도에서 무해하고 신체에 어떤 영향도 미치지 않는 불활성 요소(예: 수술용 임플란트로 사용되는 불활성 금속):
• 의학에 사용되는 치료제;
• 돌이킬 수 없는 기능 장애와 신체 사망을 초래하는 고농도의 독성 원소.
• 농도와 접촉 시간에 따라 금속은 표시된 유형 중 하나로 작용할 수 있습니다.
• 그림 1은 금속 이온 농도에 대한 신체 상태의 의존성을 보여주는 다이어그램을 보여줍니다. 다이어그램의 실선은 즉각적인 긍정적 반응, 최적 수준 및 전환을 설명합니다. 긍정적인 효과필요한 원소의 농도 값이 최대값을 통과한 후 음수로 변경됩니다. 농도가 높으면 필요한 금속이 독성을 띠게 됩니다.
• 점선 곡선은 신체에 독성이 있고 필수 요소나 자극 요소의 효과가 없는 금속에 대한 생물학적 반응을 보여줍니다. 이 곡선에는 약간의 지연이 있습니다. 이는 살아있는 유기체가 응답하지 않는 능력을 나타냅니다. 소량 독성 물질(역치 농도).
• 다이어그램은 필수 요소가 초과량으로 독성을 띠는 것을 보여줍니다. 동물과 인간의 신체는 복합체를 통해 최적 범위의 원소 농도를 유지합니다. 생리적 과정항상성이라고 합니다. 예외 없이 모든 필수 금속의 농도는 항상성의 엄격한 통제하에 있습니다.

• 그림 1 금속 농도에 따른 생물학적 반응. ( 상호 배치조건부 농도 척도에 대한 두 개의 곡선)
• 금속 독성 이온 중독
• 특히 흥미로운 것은 인체의 화학 원소 함량입니다. 인간의 기관은 다양한 화학 원소를 다양한 방식으로 농축합니다. 즉, 거시적 요소와 미량 요소가 여러 기관과 조직 사이에 고르지 않게 분포되어 있습니다. 대부분의 미량원소(체내 함량은 10이내) -3-10-5%) 간, 뼈 및 근육 조직. 이 직물은 많은 금속의 주요 창고입니다.
• 원소는 특정 기관에 특정한 친화력을 나타낼 수 있으며 그 안에 고농도로 포함될 수 있습니다. 아연은 췌장에, 요오드는 췌장에 집중되어 있는 것으로 알려져 있습니다. 갑상선, 바나듐은 알루미늄 및 비소와 함께 머리카락과 손톱, 카드뮴, 수은, 몰리브덴-신장, 주석 장 조직, 스트론튬-에 축적됩니다. 전립선, 뼈 조직, 뇌하수체의 망간 등 신체에서는 미량 원소가 다음과 같이 발견될 수 있습니다. 바인딩된 상태, 그리고 자유 이온 형태의 형태입니다. 뇌 조직의 알루미늄, 구리 및 티타늄은 단백질과 복합체 형태로 존재하는 반면 망간은 이온 형태로 존재하는 것으로 확인되었습니다.
• 과도한 농도의 요소가 신체에 유입되면 살아있는 유기체는 특정 해독 메커니즘의 존재로 인해 발생하는 독성 효과를 제한하거나 심지어 제거할 수 있습니다. 금속 이온과 관련된 특정 해독 메커니즘은 현재 잘 알려져 있지 않습니다. 신체의 많은 금속은 다음과 같은 방법으로 덜 유해한 형태로 전환될 수 있습니다.
• 불용성 복합체 형성 장관;
• 금속이 혈액과 함께 다른 조직으로 이동하여 고정될 수 있음(Pb+2 등) 뼈에);

인체에서 화학 원소의 생물학적 역할은 매우 다양합니다.

거대 요소의 주요 기능은 조직을 만들고 일정한 삼투압, 이온 및 산-염기 구성을 유지하는 것입니다.

효소, 호르몬, 비타민, 착화제 또는 활성제로서의 생물학적 활성 물질의 일부인 미량 원소는 신진 대사, 재생 과정, 조직 호흡 및 독성 물질의 중화에 관여합니다. 미세 요소는 조혈, 산화-환원, 혈관 및 조직의 투과성 과정에 적극적으로 영향을 미칩니다. 칼슘, 인, 불소, 요오드, 알루미늄, 규소와 같은 거대 및 미량 원소는 뼈와 치아 조직의 형성을 결정합니다.

인체의 일부 요소의 함량이 나이에 따라 변한다는 증거가 있습니다. 따라서 나이가 들수록 신장의 카드뮴 함량과 간의 몰리브덴 함량이 증가합니다. 최대 아연 함량은 사춘기 동안 관찰되며 노년기에 감소하여 최소에 도달합니다. 바나듐, 크롬과 같은 기타 미량 원소의 함량도 나이가 들수록 감소합니다.

다양한 미량원소의 결핍 또는 과잉 축적과 관련된 많은 질병이 확인되었습니다. 불소 결핍은 충치를 유발하고, 요오드 결핍은 풍토성 갑상선종을 유발하며, 과도한 몰리브덴은 풍토성 통풍을 유발합니다. 이러한 종류의 패턴은 인체가 생물학적 요소의 최적 농도, 즉 화학적 항상성의 균형을 유지한다는 사실과 관련이 있습니다. 이 균형을 위반하면 다음과 같습니다.

한 원소가 부족하거나 과잉되면 다양한 질병이 발생할 수 있습니다.

탄수화물, 지방, 단백질 및 핵산을 구성하는 6가지 주요 거대 원소인 유기물(탄수화물, 지방, 단백질 및 핵산을 구성하는 탄소, 수소, 질소, 산소, 황 및 인) 외에도 "무기" 거대 원소인 칼슘, 염소, 마그네슘, 칼륨 , 나트륨 - 및 미량 원소 - 구리, 불소, 요오드, 철, 몰리브덴, 아연 및 아마도 (동물에 대해 입증됨) 셀레늄, 비소, 크롬, 니켈, 실리콘, 주석, 바나듐.

철, 구리, 불소, 아연, 요오드, 칼슘, 인, 마그네슘 등의 성분이 식단에 부족하면 인체 건강에 심각한 결과를 초래합니다.

그러나 화학적 항상성이 파괴되기 때문에 결핍뿐만 아니라 과도한 영양소도 신체에 해롭다는 점을 기억해야합니다. 예를 들어, 과도한 망간을 음식과 함께 섭취하면 혈장 내 구리 수준이 증가하고(Mn과 Cu의 상승작용) 신장에서는 감소합니다(길항작용). 식품의 몰리브덴 함량이 증가하면 간의 구리 양이 증가합니다. 식품에 아연이 너무 많으면 철 함유 효소(2n 및 Fe 길항작용)의 활성이 억제됩니다.

미미한 양으로도 필수적인 미네랄 성분은 농도가 높아지면 독성을 띠게 됩니다.

화학 원소의 필수 필요성, 결핍, 독성은 의존성 곡선의 형태로 표시됩니다. 식료품- 신체 반응”(그림 5.5). 곡선의 대략 수평 부분(고원)은 최적의 성장, 건강 및 재생산에 해당하는 농도 영역을 나타냅니다. 고원의 범위가 크다는 것은 해당 요소의 독성이 낮을 뿐만 아니라 이 요소 함량의 중요한 변화에 적응하는 신체의 능력이 더 크다는 것을 나타냅니다. 반대로, 좁은 고원은 요소의 심각한 독성과 신체에 필요한 양에서 생명을 위협하는 양으로 급격한 전환을 나타냅니다. 정체기(미량원소 농도 증가)를 넘어서면 모든 원소가 독성을 띠게 됩니다. 궁극적으로 미량 원소 농도가 크게 증가하면 사망에 이를 수 있습니다.

다양한 원소(은, 수은, 납, 카드뮴 등)가 계산됩니다.

미량이라도 체내에 들어가면 심각한 병리 현상을 일으키기 때문에 독성이 있습니다. 일부 미량 원소의 독성 효과에 대한 화학적 메커니즘은 아래에서 논의됩니다.

생물학적 요소는 농업에 널리 사용됩니다. 붕소, 구리, 망간, 아연, 코발트, 몰리브덴 등 소량의 미량 원소를 토양에 첨가하면 많은 작물의 수확량이 극적으로 증가합니다. 미량원소는 식물의 효소 활성을 증가시켜 단백질, 비타민, 핵산, 당 및 전분의 합성을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 일부 화학 원소는 광합성에 긍정적인 영향을 미치고 식물의 성장과 발달을 촉진하며 종자 숙성을 촉진합니다. 생산성을 높이기 위해 동물 사료에 미량원소를 첨가합니다.

다양한 원소와 그 화합물이 의약품으로 널리 사용됩니다.

따라서 화학 원소의 생물학적 역할을 연구하고 이러한 원소와 기타 생물학적 활성 물질(효소, 호르몬, 비타민)의 대사 사이의 관계를 밝히는 것은 신약 개발과 치료 및 예방을 위한 최적의 투여 요법 개발에 기여합니다. 목적.