Роль минеральных веществ и микроэлементов в жизнедеятельности организма

всегда представляет собой  раствор различного, зачастую очень  сложного

состава.

      Полярность  молекул воды, наличие в них  частично нескомпенсированных

электрических зарядов порождает  склонность к группировке молекул  в

укрупненные "сообщества" - ассоциаты. Оказывается, полностью  соответствует

формуле Н2O лишь вода, находящаяся  в парообразном состоянии.

      Непосредственной  причиной образования ассоциатов  являются водородные

связи. Они возникают между  ядрами водорода одних молекул и  электронными

"сгущениями" у ядер  кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в

десятки раз слабее, чем "стандартные" внутримолекулярные химические связи,

и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под  влиянием

тепловых колебаний так  же легко возникают и новые  связи этого типа.

Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:

 

x * H2O ? (H2O)x

      Поскольку  электронные орбитали в каждой  молекуле воды образуют

тетраэдрическую структуру, водородные связи могут упорядочить  расположение

молекул воды в виде тетраэдрических  координированных ассоциатов.

      Возможны  и другие модели водной структуры.  Тетраэдрически связанные

молекулы воды образуют своеобразные рои довольно стабильного состава.

Пространства между роями  заполняют мономерные молекулы воды.

      Исследователи  раскрывают все более тонкие  и сложные механизмы

"внутренней организации"  водной массы. Определенная часть  молекул воды

ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные кольцевые  объединения.

Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы  ассоциатов.

      Изучение  структуры жидкой воды еще  не закончено; оно дает все  новые

факты, углубляя и усложняя наши представления об окружающем мире. Развитие

этих представлений помогает нам понять многие аномальные свойства воды и

особенности взаимодействия ее, как растворителя, с другими  веществами.

       С водой  мы получаем до 25% суточной потребности  химических веществ".

 

Организм человека состоит  на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными  компонентами органических веществ  являются углерод, водород, кислород, в  их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах  организма человека обязательно  присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se.

Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3.

Ученые договорились, что  если массовая доля элемента в организме  превышает 10-2%, то его следует считать  макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10-3-10-5%. Если содержание элемента ниже 10-5%, его считают  ультрамикроэлементом. Конечно, такая  градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между  макро- и микроэлементами.

Таблица 1. Суточное поступление  химических элементов в организм человека

Химический элемент	Суточное поступление, мг
	взрослые	дети
K	2000-5500	530
Na	110-3300	260
Ca	800-1200	420
Mg	300-400	60
Zn	15	5
Fe	10-15	7,0
Mn	2,0-5,0	1,3
Cu	1,5-3,0	1,0
Mo	0,075-0,250	0,06
Cr	0,05-0,2	0,04
Co	Около 0,2 (витамин В12)	0,001
Cl	3200	470
PO43-	800-1200	210
SO42-	10	-
I	0,15	0,07
Se	0,05-0,07	-
F	1,5-4,0	0,6

 

 

Жизненно необходимые  элементы

Несомненно, время внесет коррективы в современные представления  о числе и биологической роли определенных химических элементов  в организме человека. В данной статье мы будем исходить из того, что  уже достоверно известно. Роль макроэлементов, входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основное количество кальция и фосфора входит в  кости (гидроксофосфат кальция Ca10(PO4)6(OH)2), а хлор в виде соляной кислоты  содержится в желудочном соке.

Микроэлементы вошли в  отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно  присутствующих в организме человека. Заметим, что большинство из них - металлы, а из металлов больше половины являются d-элементами. Последние в  организме образуют координационные  соединения со сложными органическими  молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы - ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо - в 70, медь - в 30, а цинк - более  чем в 100. Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характерным признаком необходимого элемента является колоколообразный вид  кривой доза (n) - ответная реакция (R, эффект) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для жизненно необходимых  элементов 

При малом поступлении  данного элемента организму наносится  существенный ущерб. Он функционирует  на грани выживания. В основном это  объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). При  дальнейшем увеличении дозы проявляется  токсическое действие избытка данного  элемента, в результате чего не исключается  и летальный исход. Кривую на рис. 1 можно трактовать так: все должно быть в меру и очень мало и очень  много вредно. Например, недостаток в организме железа приводит к  анемии, так как оно входит в  состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части - гема. У взрослого  человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности  в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для  восполнения железа, потерянного  с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с  недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII веке в  некоторых европейских странах  при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме  тоже вреден. С ним связан сидероз  глаз и легких - заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Главный регулятор  содержания железа в крови - печень.

Недостаток в организме  меди приводит к деструкции кровеносных  сосудов, патологическому росту  костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, что  дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых  случаях поражение легких раком  у людей пожилого возраста врачи  связывают с возрастным снижением  содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малых дозах их используют в  медицине как вяжущее и бактериостазное  (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).

Таблица 2. Характерные симптомы дефицита химических элементов в  организме человека

Дефицит элемента	Типичный симптом
Ca	Замедление роста скелета
Mg	Мускульные судороги
Fe	Анемия, нарушение иммунной системы
Zn	Повреждение кожи, замедление роста, замедление полового созревания
Cu	Слабость артерий, нарушение  деятельности печени, вторичная анемия
Mn	Бесплодие, ухудшение роста  скелета
Mo	Замедление клеточного роста, склонность к кариесу
Co	Злокачественная анемия
Ni	Учащение депрессий, дерматиты
Cr	Симптомы диабета
Si	Нарушение роста скелета
F	Кариес зубов
I	Нарушение работы щитовидной железы, замедление метаболизма
Se	Мускульная (в частности, сердечная) слабость

Биологическая функция других щелочных металлов в здоровом организме  пока неясна. Однако имеются указания, что введением в организм ионов  лития удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза. Приведем табл. 2, из которой видна  важная роль других жизненно необходимых  элементов

 

Примесные элементы

Имеется большое число  химических элементов, особенно среди  тяжелых, являющихся ядами для живых  организмов, - они оказывают неблагоприятное  биологическое воздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева.

Таблица 3.

Период	Группа
	VIII	I	II	III	IV	V	VI
2	-	-	Be	-	-	-	-
4	Ni	-	-	-	-	As	Se
5	Pd	Ag	Cd	-	-	Sb	Te
6	Pt	Au	Ba Hg	Tl	Pb	Bi	-

За исключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные  сульфидные соединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана  с блокированием определенных функциональных групп (в частности, сульфгидрильных) протеина или же с вытеснением  из некоторых ферментов ионов  металлов, например меди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Их диаграмма доза - эффект имеет  другую форму по сравнению с жизненно необходимыми (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для примесных  химических элементов До определенного  содержания этих элементов организм не испытывает вредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации они становятся ядовитыми.

Встречаются элементы, которые  в относительно больших количествах  являются ядами, а в низких концентрациях  оказывают полезное влияние. Например, мышьяк - сильный яд, нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и  печень, в небольших дозах полезен, и врачи прописывают его для  улучшения аппетита. Кислород, необходимый  человеку для дыхания, в высокой  концентрации (особенно под давлением) оказывает ядовитое действие.

Из этих примеров видно, что  концентрация элемента в организме  играет весьма существенную, а порой  и катастрофическую роль. Среди примесных  элементов имеются и такие, которые  в малых дозах обладают эффективными лечащими свойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра  и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных  ран, мочевого пузыря, при хронических  циститах и уретитах, а также в  виде глазных капель при гнойных  конъюктивитах и бленнорее. Карандаши  из нитрата серебра применяют  для прижигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитрат серебра используют как вяжущее  и противомикробное средство для  примочек, а также в качестве глазных  капель. Ученые считают, что прижигающее  действие нитрата серебра связано  с его взаимодействием с белками тканей, что приводит к образованию белковых солей серебра - альбуминатов. Серебро пока не относят к жизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено его повышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени. В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами и капустой.

В статье приведена Периодическая  система, в которой охарактеризована биоактивность отдельных элементов [1]. Оценка основана на проявлении симптомов  дефицита или избытка определенного  элемента. Она учитывает следующие  симптомы (в порядке возрастания  эффекта): 1 - снижение аппетита; 2 - потребность  в изменении диеты; 3 - значительные изменения состава тканей; 4 - повышенная повреждаемость одной или нескольких биохимических систем, проявляющаяся  в специальных условиях; 5 - недееспособность этих систем в специальных условиях; 6 - субклинические признаки недееспособности; 7 - клинические симптомы недееспособности и повышенная повреждаемость; 8 - заторможенный  рост; 9 - отсутствие репродуктивной функции. Крайней формой проявления дефицита или избытка элемента в организме  является смертельный исход. Оценка биоактивности элемента сделана  по девятибальной шкале в зависимости  от характера симптома, для которого выявлена специфичность.