Biologická úloha mikroelementov v bunke. Chemické prvky v bunkách živých organizmov. Chemické prvky v ľudskom tele

Biologická úloha chemických prvkov v živých organizmoch

1. Makro a mikroprvky v životnom prostredí a ľudskom tele

Biologická úloha chemických prvkov v ľudskom tele je mimoriadne rôznorodá.

Hlavnou funkciou makroprvkov je budovanie tkanív, udržiavanie konštantného osmotického tlaku, iónové a acidobázické zloženie.

Chemické prvky a živé organizmy

Ako je uvedené vyššie, živé veci sa skladajú z mnohých chemických prvkov. Treba poznamenať, že v živých organizmoch sa najčastejšie vyskytujú uhlík, kyslík a kyslík, ktoré tvoria 90 % živej hmoty. Tieto štyri prvky sú zložkami niektorých biologických molekúl, ako sú sacharidy, bielkoviny a bielkoviny. Ostatné prvky ako fosfor, síra, vápnik a draslík sa vyskytujú v menšom množstve.

Uhlík je štvrtým najrozšírenejším prvkom vo vesmíre a je základom života na planéte Zem. Ako bolo vysvetlené v predchádzajúcej časti, všetky živé veci sú vyrobené z uhlíka. Tento prvok má molekulárnu štruktúru, ktorá umožňuje vytváranie rôznych väzieb s viacerými prvkami, čo je výhodou.

Mikroelementy, ktoré sú súčasťou enzýmov, hormónov, vitamínov, biologicky účinných látok ako komplexotvorné činidlá alebo aktivátory, podieľajú sa na metabolizme, reprodukčných procesoch, tkanivovom dýchaní, neutralizácii toxické látky. Mikroelementy aktívne ovplyvňujú procesy hematopoézy, oxidácie - redukcie, priepustnosti ciev a tkanív. Makro- a mikroprvky - vápnik, fosfor, fluór, jód, hliník, kremík určujú tvorbu kostného a zubného tkaniva.

Uhlík cirkuluje cez pevninu, oceán a pevninu a vytvára takzvaný uhlíkový cyklus. Cyklus uhlíka sa vzťahuje na proces recyklácie tohto prvku. Zvieratá konzumujú glukózu počas metabolizmu potravy a dýchania. Táto molekula sa spája s kyslíkom za vzniku oxidu uhličitého, vody a energie, ktorá sa uvoľňuje ako teplo.

Chemická reakcia fotosyntézy

Zvieratá oxid uhličitý nepotrebujú, preto ho vypúšťajú do atmosféry. Na druhej strane môžu rastliny tento plyn využiť procesom tzv. Tento proces vyžaduje tri prvky.

Oxid uhličitý, ktorý vstupuje do rastlín cez prieduchy v listoch.
Voda, ktorá je absorbovaná koreňmi rastlín.
Slnečná energia, ktorú zachytáva chlorofyl.
Uvoľnite kyslík do ľahký čas fázy fotosyntézy.
Počas temnej fázy fotosyntézy syntetizujú sacharidy, ako je glukóza.

Zvieratá zachytávajú kyslík a konzumujú rastlinnú glukózu, a tak sa cyklus začína odznova.

Existujú dôkazy, že obsah niektorých prvkov v ľudskom tele sa vekom mení. S vekom teda stúpa obsah kadmia v obličkách a molybdénu v pečeni. Maximálny obsah zinku sa pozoruje počas puberty, potom klesá a dosahuje minimum v starobe. S vekom klesá aj obsah ďalších stopových prvkov, ako je vanád a chróm.

Vplyv ďalších prvkov rastlín, živočíchov a prokaryotov

Biochémia je náuka o zložkách živej hmoty, jej reakciách a vzťahu k životnému prostrediu.

Periodická tabuľka: Atómy, prvky a izotopy – misia Genesis.
„Tehly“ na stavbu živých organizmov.

Chemické prvky Periodická tabuľka.

Dmitri Ivanovič Mendelejev bol ruský chemik, ktorý sa zaslúžil o vytvorenie prvej verzie periodickej tabuľky. Pri písaní svojej práce „Principles of Chemistry“ a pri pokuse o zoskupenie prvkov podľa ich chemických vlastností našli Všeobecné charakteristiky. Chemické prvky, ktoré tvoria bunky, základné jednotky všetkých živých organizmov, majú číslo 24 a sú prítomné vo väčšej či menšej miere. Vodík, kyslík, uhlík a dusík tvoria viac ako 99 % atómov v ľudskom tele. Tieto prvky sú najľahšie, schopné vytvárať také väzby – silnejšiu väzbu. V ióne je toto číslo iné. Z nich "nespárované" elektróny sú častice zodpovedné za vlastnosti prvkov.

Prvky zoskupil do toho, čo nazval Periodická tabuľka.
V súčasnosti obsahuje periodická tabuľka 117 prvkov.
Toto číslo je stále otvorené.
Tabuľka je usporiadaná podľa skupín a období.
Atómové číslo je počet protónov prítomných v jadre.
Hmotnostné číslo je súčet počtu protónov a počtu neutrónov.
Neutróny a protóny sú jadrové častice.
Elektróny sú distribuované medzi energetickými hladinami okolo jadra.
V atóme sa jeho počet rovná počtu protónov.
Valenčné elektróny sú elektróny vo vonkajšej vrstve atómu.

Molekuly života Biomolekuly.

Boli identifikované mnohé choroby spojené s nedostatkom alebo nadmernou akumuláciou rôznych mikroelementov. Nedostatok fluoridu spôsobuje zubný kaz, nedostatok jódu spôsobuje endemickú strumu a nadbytok molybdénu spôsobuje endemickú dnu. Tieto typy vzorcov sú spojené so skutočnosťou, že ľudské telo udržiava rovnováhu optimálnych koncentrácií biogénnych prvkov - chemickú homeostázu. Narušenie tejto rovnováhy v dôsledku nedostatku alebo nadbytku prvku môže viesť k rôznym chorobám.

Je to kvôli veľkej všestrannosti tohto prvku, ktorý tvorí veľmi stabilný Kovalentné väzby s rôzne druhy geometria. Niektoré videá ilustrujú všestrannosť atómu uhlíka pri vytváraní rôznych molekúl a ich význam pre život: Uhlíkové alkaloidy Steroidy Syntetické steroidy Kortizón. Vodík, ktorý má iba jeden valenčný elektrón, môže vytvárať iba jednoduché väzby. Izoméry sú chemické zlúčeniny s rovnakými atómami v rovnakých množstvách, ale ktorých priestorové usporiadanie je odlišné. Atómy sú priestorovo usporiadané tak, že štruktúry sa navzájom zrkadlovo zrkadlia, takže ich nemožno prekrývať bez zničenia väzieb. Geometrický - jeho vzhľad je spojený s existenciou dvojitej väzby, čo znamená obmedzenie rotácie štruktúry a usporiadania atómov okolo tejto väzby.

Všetky biomolekuly obsahujú uhlík.
Kyslík sa môže podieľať na tvorbe dvojitých väzieb.
Uvažujme 3 typy izomérov: Štrukturálne enantioméry alebo optické izoméry.
Geometrické.
Štruktúrne - zlúčeniny, v ktorých sa usporiadanie skupín atómov líši.
Optické enantioméry alebo izoméry.
Ak je kĺb jednoduchý, môže sa voľne otáčať.

Chemická väzba.

Okrem šiestich hlavných makroprvkov – organogénov – uhlík, vodík, dusík, kyslík, síra a fosfor, ktoré tvoria sacharidy, tuky, bielkoviny a nukleových kyselín pre normálnu výživu ľudí a zvierat sú potrebné „anorganické“ makroprvky – vápnik, chlór, horčík, draslík, sodík – a mikroprvky – meď, fluór, jód, železo, molybdén, zinok, prípadne aj (pre zvieratá osvedčené) , selén, arzén, chróm, nikel, kremík, cín, vanád.

Dva atómy nastavené chemická väzba, keď sa priblížia, ich energia je nízka, čo podporuje proces spájania. Energia žiarenia teda: - rastie so zvyšujúcou sa frekvenciou - klesá so zvyšujúcim sa obsahom. mávať. Ide o množstvo energie potrebnej na prerušenie vytvoreného spojenia. . Existuje niekoľko oblastí žiarenia s rôznymi vlnovými dĺžkami.

Ak energia žiarenia nie je dostatočná na vyvolanie chemickej väzby, stále môže spôsobiť vibrácie a rotáciu tepelnej väzby. Príkladom tohto javu je použitie mikrovlnka, ktorá vibrovaním molekúl vody obsiahnutých v potravinách prispieva k jej zahrievaniu. Funkčná skupina je atóm alebo súbor atómov, ktorý definuje štruktúru danej rodiny chemické zlúčeniny. Táto funkčná skupina je zodpovedná za Chemické vlastnosti, potvrdila táto rodina. Funkčné skupiny sú príklady karbonylkarboxylhydroxyfenylamínov a amidov a imínov. Vo vodnom prostredí sú preferované ionizačné procesy v súlade s pH prostredia. . Bez toho by sme sotva niečo dokázali, pretože by sme nemali dostatok energie.

Nedostatok diéta prvky ako železo, meď, fluór, zinok, jód, vápnik, fosfor, horčík a niektoré ďalšie, vedú k vážne následky pre ľudské zdravie.

Je však potrebné pamätať na to, že nielen nedostatok, ale aj nadbytok živín je pre telo škodlivý, pretože je narušená chemická homeostáza. Napríklad pri konzumácii nadbytku mangánu s jedlom sa hladina medi v plazme zvyšuje (synergizmus Mn a Cu) a v obličkách klesá (antagonizmus). Zvýšenie obsahu molybdénu v potravinách vedie k zvýšeniu množstva medi v pečeni. Nadbytok zinku v potrave spôsobuje inhibíciu aktivity enzýmov obsahujúcich železo (antagonizmus Zn a Fe).

Kyslík sa podieľa na našom aeróbnom dýchacom systéme. Pôsobí na konci aeróbneho metabolizmu pridávaním vodíkov, ktoré sa uvoľňujú pri výrobe energie. Kyslík je dôležitým prvkom prítomným v našom živote, vo forme kyslíka kyslíka hrá kľúčovú úlohu v živote väčšiny živých vecí, vrátane ľudí. Kyslík má veľký význam, azda najdôležitejšia vec pre všetko živé, pretože ju dýchame. V ľudskom tele slúži na to, aby bolo bunkové dýchanie nevyhnutné pre ľudský život. 2-uhlíkové.

Minerálne zložky, ktoré sú v zanedbateľných množstvách životne dôležité, s viac vysoké koncentrácie stať sa toxickými.

Mnohé prvky (striebro, ortuť, olovo, kadmium atď.) sa považujú za toxické, pretože ich vstup do tela aj v mikromnožstvách vedie k závažným patologickým javom. Chemický mechanizmus toxické účinky Niektoré mikroelementy budú diskutované nižšie.

Po strávení je uhlík viac než pripravený poskytnúť energiu. Menia sa na glukózu. Koluje krvou a okamžite dodáva energiu. Pečeň a svaly dokážu ukladať uhlík vo forme glykogénu. Počas cvičenia môže byť glykogén použitý ako energia. Telo využíva uhlík predovšetkým vtedy, keď dodáva energiu svalom, aby mohli pracovať. je jedným z najviac dôležité prvky, ktoré sú z veľkej časti zahrnuté v základnej konštitúcii nášho tela.

Udržiavanie koncentrácií vodíka v optimálnom rozsahu pre bunkový metabolizmus závisí od eliminácie oxidu uhličitého v pľúcach, eliminácie vodíka obličkami a od pôsobenia vnútrobunkových a extracelulárnych pufrovacích systémov. To, ako telo reguluje koncentráciu vodíka, je základom pre sledovanie a hodnotenie zmien v rovnováhe medzi kyselinami a zásadami v bunkách, v okolitom tekutom prostredí a v krvi. Vodík je extrémne pohyblivá častica; zmeny jeho koncentrácie ovplyvňujú bunkovú distribúciu iných iónov, ako je sodík, draslík a chlorid, a modifikujú aktivitu bielkovín, najmä enzýmov.

Nájdené biogénne prvky široké uplatnenie V poľnohospodárstvo. Pridávanie malých množstiev mikroelementov do pôdy – bór, meď, mangán, zinok, kobalt, molybdén – dramaticky zvyšuje úrodu mnohých plodín. Ukazuje sa, že mikroelementy zvýšením aktivity enzýmov v rastlinách podporujú syntézu bielkovín, vitamínov, nukleových kyselín, cukrov a škrobu. Niektoré z chemických prvkov majú pozitívny vplyv na fotosyntézu, urýchľujú rast a vývoj rastlín a dozrievanie semien. Mikroelementy sa pridávajú do krmiva pre zvieratá, aby sa zvýšila ich produktivita.

Dusík - Dusík v skutočnosti nie je pre naše telo dôležitý, pretože dusík nie je asimilovaný vo forme, ktorá je v atmosfére. Dusík však hrá dôležitú úlohu v potravinovom reťazci, pretože ho absorbujú mikroorganizmy prítomné v koreňoch rastlín. Erobiologické a mäsožravé výhody v potravinovom cykle a dusík sa stáva bielkovinou. Fosfor zohráva dôležitú úlohu aj pri tvorbe bunkovej membrány, pretože sa podieľa na zložení fosfolipidov. Zároveň sú zuby chránené pred korozívnymi účinkami kyselín vznikajúcich pri fermentácii ústnych baktérií, čím sa predchádza vzniku zubného kazu.

Rôzne prvky a ich zlúčeniny sa široko používajú ako lieky.

Štúdium biologickej úlohy chemických prvkov, objasnenie vzťahu medzi výmenou týchto prvkov a inými biologicky aktívnymi látkami – enzýmami, hormónmi, vitamínmi teda prispieva k tvorbe nových lieky a vývoj optimálnych dávkovacích režimov na terapeutické aj profylaktické účely.

Nachádza sa vo fluoridovanej vode. Nadmerná konzumácia prispieva k vzniku škvŕn na zuboch. Spolu so sodíkom a chloridom sa podieľa na udržiavaní osmotickej bunkovej rovnováhy, pomáha odstraňovať prebytočnú vodu z tela a reguluje pH krvi. Pôsobí na metabolizmus sacharidov a bielkovín. Nachádza sa v mäse, mlieku a mnohých druhoch ovocia, zeleniny a zeleniny. Štúdie ukázali, že diéty s vysokým obsahom draslíka zabraňujú hypertenzii a srdcovo-cievne ochorenia; váš nedostatok alebo nadbytok môže viesť k problémom so srdcom.

Základom pre štúdium vlastností prvkov a najmä ich biologickej úlohy je periodický zákon D.I. Mendelejev. Fyzikálno-chemické vlastnosti a následne ich fyziologická a patologická úloha je určená polohou týchto prvkov v periodická tabuľka DI. Mendelejev.

S nárastom jadrového náboja atómov sa spravidla zvyšuje toxicita prvkov danej skupiny a znižuje sa ich obsah v organizme. Pokles obsahu je očividne spôsobený skutočnosťou, že mnohé prvky s dlhými periódami, v dôsledku veľkých atómových a iónových polomerov, vysokého jadrového náboja, zložitosti elektronických konfigurácií a nízkej rozpustnosti zlúčenín, sú živými organizmami slabo absorbované. Telo obsahuje ľahké prvky vo významných množstvách.

Dôležité v rovnováhe telesných tekutín; potrebné na vykonanie nervový impulz. Je obsiahnutý v kuchynskej soli, v morské produkty v živočíšnom a priemyselnom pôvode. Nadmerná konzumácia predisponuje k hypertenzii a preťaženiu obličiek.

Zložka mnohých enzýmov, vrátane respiračných enzýmov a enzýmov zapojených do syntézy hemoglobínu. Nachádza sa v pečeni, vajciach, rybách, morských plodoch, čokoláde, celozrnnej pšenici a fazuli. Ak je príjem vitamínu C alebo železa veľmi vysoký, dochádza k narušeniu metabolizmu medi.

Nájdite celé zrná žĺtok a zelená zelenina. Je nevyhnutný pre zrážanie krvi a je nevyhnutný pre normálnu činnosť nervov a svalov vrátane srdca, ako aj pre normálnu činnosť plazmatickej membrány. Zabraňuje osteoporóze, zrážaniu a pomáha redukovať arteriálny tlak. Podieľa sa na proteínovej štruktúre nukleových kyselín. Nachádza sa v zelenej zelenine, mlieku a mliečnych výrobkoch, ustriciach, sardinkách a sóji. Medzi príznaky nedostatku patria kŕče, nervozita, búšenie srdca a lámavosť nechtov.

Makroelementy zahŕňajú s-prvky prvej (vodík), tretej (sodík, horčík) a štvrtej (draslík, vápnik) periódy, ako aj p-prvky druhej (uhlík, dusík, kyslík) a tretej (fosfor, síra, chlórové) obdobia. Všetky sú životne dôležité. Väčšina zostávajúcich s- a p-prvkov prvých troch periód (Li, B, Al, F) je fyziologicky aktívna, s- a p-prvky dlhé obdobia(n>4) zriedka pôsobia ako nenahraditeľné. Výnimkou sú s-prvky - draslík, vápnik, jód. Niektoré s- a p-prvky štvrtej a piatej periódy - stroncium, arzén, selén, bróm - sú klasifikované ako fyziologicky aktívne.

Z d-prvkov sú životne dôležité najmä prvky štvrtej periódy: mangán, železo, zinok, meď, kobalt. IN V poslednej dobe bolo zistené, že niet pochýb fyziologickú úlohu a niektoré ďalšie d-prvky tohto obdobia: titán, chróm, vanád.

d-prvky piatej a šiestej periódy, s výnimkou molybdénu, nevykazujú výraznú pozitívnu fyziologickú aktivitu. Molybdén je súčasťou množstva oxidačno-redukčných enzýmov (napríklad xantínoxid, aldehydoxidáza) a zohráva dôležitú úlohu v priebehu biochemických procesov.

2. Všeobecné aspekty toxicity ťažké kovy pre živé organizmy

Komplexné štúdium problémov spojených s hodnotením stavu prírodného prostredia ukazuje, že je veľmi ťažké stanoviť jasnú hranicu medzi prírodnými a antropogénnymi faktormi zmien v ekologických systémoch. Posledné desaťročia nás o tom presvedčili. že ľudský zásah do prírody spôsobuje nielen okamžité, ľahko identifikovateľné škody, ale spôsobuje aj množstvo nových, často skryté procesy, transformovať alebo ničiť životné prostredie. Prírodné a antropogénne procesy v biosfére sú v komplexnom vzťahu a vzájomnej závislosti. Priebeh chemických premien vedúcich k vzniku toxických látok teda ovplyvňuje klíma, stav pôdy, voda, vzduch, úroveň rádioaktivity atď. V súčasných podmienkach pri štúdiu procesov chemického znečistenia ekosystémov vzniká problém nájsť prirodzené, hlavne spôsobené prírodné faktoryúrovne obsahu určitých chemických prvkov alebo zlúčenín. Riešenie tohto problému je možné len na základe dlhodobého systematického pozorovania stavu zložiek biosféry, ich obsahu rôzne látky, teda na základe monitoringu životného prostredia.

Znečistenie životného prostredia ťažkými kovmi priamo súvisí s environmentálno-analytickým monitorovaním supertoxických látok, pretože mnohé z nich vykazujú vysokú toxicitu aj v stopových množstvách a sú schopné koncentrovať sa v živých organizmoch.

Hlavné zdroje znečistenia prírodného prostredia ťažkými kovmi možno rozdeliť na prírodné (prírodné) a umelé (antropogénne). Prírodné udalosti zahŕňajú sopečné erupcie, prachové búrky, lesné a stepné požiare, morské soli Prírodné zdroje znečistenia majú buď systematický, rovnomerný alebo krátkodobý spontánny charakter a spravidla majú malý vplyv na celkovú úroveň znečistenia. Hlavné a najviac nebezpečné zdroje Znečistenie prírody ťažkými kovmi je antropogénne.

V procese štúdia chémie kovov a ich biochemických cyklov v biosfére sa odhaľuje dvojaká úloha, ktorú zohrávajú vo fyziológii: na jednej strane je väčšina kovov nevyhnutná pre normálny priebeh života; na druhej strane s zvýšené koncentrácie vykazujú vysokú toxicitu, to znamená, že majú zlý vplyv o stave a činnosti živých organizmov. Hranica medzi potrebnými a toxickými koncentráciami prvkov je veľmi nejasná, čo sťažuje spoľahlivé posúdenie ich vplyvu na životné prostredie. Množstvo, pri ktorom sa niektoré kovy stanú skutočne nebezpečnými, závisí nielen od miery, do akej znečisťujú ekosystémy, ale aj od chemických charakteristík ich biochemického cyklu. V tabuľke 1 ukazuje rad molárnej toxicity kovov pre odlišné typyživé organizmy.

Tabuľka 1. Reprezentatívna sekvencia molárnej toxicity kovov

Organizmy Toxicita séria RiasyНg>Сu>Сd>Fe>Сr>Zn>Со>Мn HubyАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FeKvitnúce rastlinyHg>Рb>Сu>HnZNi> >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

Pre každý typ organizmu, poradie kovov v riadkoch tabuľky zľava doprava odráža zvýšenie molárneho množstva kovu potrebného na vyvolanie toxického účinku. Minimálna molárna hodnota sa vzťahuje na kov s najväčšou toxicitou.

V.V. Kowalski na základe ich významu pre život rozdelil chemické prvky do troch skupín:

Životne dôležité (nenahraditeľné) prvky neustále obsiahnuté v tele (súčasť enzýmov, hormónov a vitamínov): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Mo, V. Ich nedostatok vedie k narušeniu normálneho fungovania ľudí a zvierat.

Tabuľka 2. Charakteristika niektorých metaloenzýmov - bioanorganických komplexov

Enzým kovu Centrálny atóm Prostredie ligandu Predmet koncentrácie Pôsobenie enzýmu Karboanhydráza Zn (II) Zvyšky aminokyselín Červené krvinky Katalyzuje reverzibilnú hydratáciu oxidu uhličitého: CO 2+H 2O↔H 2CO 3↔H ++ DPH 3Karbosky peptidáza Zn (II) Aminokyselinové zvyšky Pankreas, pečeň, črevá Katalyzuje trávenie bielkovín, podieľa sa na hydrolýze peptidovej väzby: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2N.H. 2Kataláza Fe (III) Aminokyselinové zvyšky, histidín, tyrozín Krv Katalyzuje rozkladnú reakciu peroxidu vodíka: 2H 2O 2= 2H 2O + O 2Peroxidáza Fe (III) Proteíny Tkanivo, krv Oxidácia substrátov (RH 2) peroxid vodíka: RH 2+H 2O 2= R + 2H 2OxyreduktázaCu(II)Zbytky aminokyselín Srdce, pečeň, obličky Katalyzuje oxidáciu pomocou molekulárneho kyslíka: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Pyruvátkarboxyláza Mn (II) Tkanivové bielkoviny Pečeň, štítna žľaza Zvyšuje účinky hormónov. Katalyzuje proces karboxylácie kyselinou pyrohroznovou Aldehydoxidáza Mo (VI) Tkanivové bielkoviny Pečeň Podieľa sa na oxidácii aldehydov Ribonukleotidreduktáza Co (II) Tkanivové bielkoviny Pečeň Podieľa sa na biosyntéze ribonukleových kyselín

prvky nečistôt neustále obsiahnuté v tele: 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. Ich biologická úloha je málo pochopená alebo neznáma.
prvky nečistôt nachádzajúce sa v tele Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb atď. Údaje o množstve a biologickej úlohe neboli objasnené.
V tabuľke sú uvedené charakteristiky mnohých metaloenzýmov, medzi ktoré patria také životne dôležité kovy ako Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.
V závislosti od ich správania v živých systémoch možno kovy rozdeliť do 5 typov:
- potrebné prvky, ktorých nedostatok spôsobuje funkčné poruchy v tele;
- stimulanty (ako stimulanty môžu pôsobiť potrebné aj nepotrebné kovy pre telo);
inertné prvky, ktoré sú v určitých koncentráciách neškodné a nemajú žiadny vplyv na organizmus (napríklad inertné kovy používané ako chirurgické implantáty):
terapeutické činidlá používané v medicíne;
toxické prvky, pri vysokých koncentráciách vedú k nezvratným funkčným poruchám a smrti organizmu.
V závislosti od koncentrácie a času kontaktu môže kov pôsobiť jedným z uvedených typov.
Na obrázku 1 je znázornený diagram závislosti stavu tela od koncentrácie kovových iónov. Plná krivka v diagrame popisuje okamžitú pozitívnu odozvu, optimálnu úroveň a prechod pozitívny efekt na negatívnu, keď hodnoty koncentrácie požadovaného prvku prejdú maximom. Pri vysokých koncentráciách sa potrebný kov stáva toxickým.
Bodkovaná krivka znázorňuje biologickú odpoveď na kov, ktorý je pre telo toxický a nemá účinok potrebného alebo stimulačného prvku. Táto krivka prichádza s určitým oneskorením, čo naznačuje schopnosť živého organizmu „neodpovedať“. malé množstvá toxická látka(prahová koncentrácia).
Diagram ukazuje, že esenciálne prvky sa v nadmernom množstve stávajú toxickými. Zvieracie a ľudské telo si prostredníctvom komplexu udržuje koncentráciu prvkov v optimálnom rozsahu fyziologické procesy nazývaná homeostáza. Koncentrácia všetkých esenciálnych kovov bez výnimky je pod prísnou kontrolou homeostázy.

Obr. 1 Biologická odozva v závislosti od koncentrácie kovu. ( Vzájomné usporiadanie dve krivky vzhľadom na koncentračnú stupnicu podmienene)
toxicita kovov otrava iónmi
Zaujímavý je najmä obsah chemických prvkov v ľudskom tele. Ľudské orgány koncentrujú rôzne chemické prvky rôznymi spôsobmi, to znamená, že makro- a mikroprvky sú medzi rôznymi orgánmi a tkanivami rozložené nerovnomerne. Väčšina mikroelementov (obsah v tele je do 10 -3-10-5%) sa hromadí v pečeni, kostiach a svalové tkanivo. Tieto tkaniny sú hlavným skladom mnohých kovov.
Prvky môžu vykazovať špecifickú afinitu k určitým orgánom a môžu sa v nich nachádzať vo vysokých koncentráciách. Je známe, že zinok sa koncentruje v pankrease, jód v štítna žľaza, vanád sa spolu s hliníkom a arzénom hromadí vo vlasoch a nechtoch, kadmium, ortuť, molybdén - v obličkách, cín v črevných tkanivách, stroncium - v prostaty, kostného tkaniva, mangán v hypofýze atď. V tele sa mikroelementy nachádzajú v oboch viazaný stav a vo forme voľných iónových foriem. Zistilo sa, že hliník, meď a titán v mozgovom tkanive sú vo forme komplexov s proteínmi, zatiaľ čo mangán je v iónovej forme.
V reakcii na príjem nadbytočných koncentrácií prvkov do tela je živý organizmus schopný obmedziť až eliminovať výsledný toxický efekt prítomnosťou určitých detoxikačných mechanizmov. Špecifické mechanizmy detoxikácie v súvislosti s kovovými iónmi nie sú v súčasnosti dobre známe. Mnohé kovy v tele sa môžu premeniť na menej škodlivé formy nasledujúcimi spôsobmi:
tvorba nerozpustných komplexov v črevný trakt;
transport kovu s krvou do iných tkanív, kde môže byť imobilizovaný (ako je Pb+2 v kostiach);

- premena v pečeni a obličkách na menej toxickú formu.

V reakcii na pôsobenie toxických iónov olova, ortuti, kadmia atď. ľudská pečeň a obličky teda zvyšujú syntézu metalotioneínov - proteínov s nízkou molekulovou hmotnosťou, v ktorých je približne 1/3 aminokyselinových zvyškov cysteín . Vysoký obsah a špecifické usporiadanie sulfhydrylových SH skupín poskytuje možnosť silnej väzby kovových iónov.

Mechanizmy toxicity kovov sú všeobecne dobre známe, no nájsť ich pre nejaký konkrétny kov je veľmi ťažké. Jedným z týchto mechanizmov je koncentrácia medzi esenciálnymi a toxickými kovmi v dôsledku prítomnosti väzbových miest v proteínoch, pretože kovové ióny stabilizujú a aktivujú mnohé proteíny, ktoré sú súčasťou mnohých enzýmových systémov. Okrem toho mnohé proteínové makromolekuly majú voľné sulfhydrylové skupiny, ktoré môžu interagovať s toxickými kovovými iónmi, ako je kadmium, olovo a ortuť, čo má za následok toxické účinky. Nebolo však presne stanovené, ktoré makromolekuly poškodzujú živý organizmus. Prejav toxicity kovových iónov v rôzne orgány a tkanív nie vždy súvisí s úrovňou ich akumulácie – nie je zaručené, že k najväčšiemu poškodeniu dôjde v tej časti tela, kde je koncentrácia daného kovu vyššia. Teda ióny olova (II), ktoré tvoria viac ako 90 % celkového množstva v tele imobilizovaných v kostiach, vykazujú toxicitu v dôsledku 10 % distribúcie v iných tkanivách tela. Imobilizáciu iónov olova v kostiach možno považovať za detoxikačný proces.

Toxicita kovového iónu zvyčajne nesúvisí s jeho potrebou pre telo. Toxicita a nevyhnutnosť však majú jedno spoločné: spravidla existuje vzťah medzi iónmi kovov navzájom, ako aj medzi kovovými a nekovovými iónmi, pokiaľ ide o ich celkový prínos k účinnosti ich pôsobenia. Napríklad toxicita kadmia je výraznejšia v systéme s nedostatkom zinku a toxicita olova sa zhoršuje nedostatkom vápnika. Podobne je adsorpcia železa z rastlinných potravín inhibovaná komplexotvornými ligandami, ktoré sú v ňom prítomné, a nadbytočné ióny zinku môžu inhibovať adsorpciu medi atď.

Biologická úloha chemických prvkov v ľudskom tele je mimoriadne rôznorodá.

Hlavnou funkciou makroprvkov je budovanie tkanív, udržiavanie konštantného osmotického tlaku, iónové a acidobázické zloženie.

Mikroelementy, ktoré sú súčasťou enzýmov, hormónov, vitamínov, biologicky aktívnych látok ako komplexotvorných činidiel alebo aktivátorov, sa podieľajú na metabolizme, reprodukčných procesoch, tkanivovom dýchaní a neutralizácii toxických látok. Mikroelementy aktívne ovplyvňujú procesy hematopoézy, oxidácie - redukcie, priepustnosti ciev a tkanív. Makro- a mikroprvky - vápnik, fosfor, fluór, jód, hliník, kremík - určujú tvorbu kostného a zubného tkaniva.

Nedostatok alebo nadbytok prvku môže viesť k rôznym chorobám

Okrem šiestich hlavných makroprvkov - organogénov - uhlíka, vodíka, dusíka, kyslíka, síry a fosforu, ktoré tvoria sacharidy, tuky, bielkoviny a nukleové kyseliny, sú pre normálnu výživu ľudí a zvierat nevyhnutné aj "anorganické" makroprvky - vápnik, chlór, horčík, draslík, sodík - a stopové prvky - meď, fluór, jód, železo, molybdén, zinok a tiež prípadne (overené pre zvieratá) selén, arzén, chróm, nikel, kremík, cín, vanád.

Nedostatok prvkov ako železo, meď, fluór, zinok, jód, vápnik, fosfor, horčík a niektoré ďalšie v strave vedie k vážnym následkom pre ľudské zdravie.

Minerálne zložky, ktoré sú životne dôležité v zanedbateľných množstvách, sa pri vyšších koncentráciách stávajú toxickými.

Životná nevyhnutnosť, nedostatok, toxicita chemického prvku sú prezentované vo forme krivky závislosti „Koncentrácia prvku v produkty na jedenie- reakcia tela“ (obr. 5.5). Približne horizontálna časť krivky (plató) opisuje oblasť koncentrácií zodpovedajúcu optimálnemu rastu, zdraviu a reprodukcii. Veľký rozsah plató svedčí nielen o nízkej toxicite prvku, ale aj o väčšej schopnosti organizmu prispôsobiť sa výrazným zmenám v obsahu tohto prvku. Naopak, úzke plató naznačuje výraznú toxicitu prvku a prudký prechod od množstiev potrebných pre telo k životu nebezpečným. Keď prekročíte plató (zvýšenie koncentrácie mikroelementov), všetky prvky sa stanú toxickými. V konečnom dôsledku môže výrazné zvýšenie koncentrácie stopových prvkov viesť k smrti.

Počíta sa množstvo prvkov (striebro, ortuť, olovo, kadmium atď.).

Sú toxické, pretože ich vstup do tela už v mikromnožstve vedie k závažným patologickým javom. Chemický mechanizmus toxických účinkov niektorých stopových prvkov bude diskutovaný nižšie.

Biogénne prvky majú široké využitie v poľnohospodárstve. Pridávanie malých množstiev mikroelementov do pôdy – bór, meď, mangán, zinok, kobalt, molybdén – dramaticky zvyšuje úrodu mnohých plodín. Ukazuje sa, že mikroelementy zvýšením aktivity enzýmov v rastlinách podporujú syntézu bielkovín, vitamínov, nukleových kyselín, cukrov a škrobu. Niektoré z chemických prvkov majú pozitívny vplyv na fotosyntézu, urýchľujú rast a vývoj rastlín a dozrievanie semien. Mikroelementy sa pridávajú do krmiva pre zvieratá, aby sa zvýšila ich produktivita.

Rôzne prvky a ich zlúčeniny sa široko používajú ako lieky.

Štúdium biologickej úlohy chemických prvkov, objasnenie vzťahu medzi metabolizmom týchto prvkov a inými biologicky aktívnymi látkami - enzýmami, hormónmi, vitamínmi - teda prispieva k vytvoreniu nových liekov a vývoju optimálnych dávkovacích režimov pre terapeutické aj profylaktické účely.