То, что человек почти наполовину
состоит из воды, известно практически любому
любознательному человеку. О другой половине
нашего организма известно тоже достаточно много,
хотя и не столь широкому кругу людей. А ведь
человека можно назвать ходячей периодической
системой элементов. Ещё советский геохимик, биогеохимик и химик-аналитик А.П. Виноградов в
1933 году указывал, что нельзя отрицать
физиологической роли ни одного из известных
элементов периодической системы для тех или иных
организмов. Кроме того, живые существа способны
концентрировать отдельные элементы, рассеянные
в окружающей среде (эту способность
В.И. Вернадский называл «концентрационной
функцией»). Так, например, в морских растениях
концентрация кремния выше, чем в морской воде, в
103–105 раз, фосфора – в 105, марганца – в 103–104 раза.
В качестве материалов для построения
живых организмов природа использует главным
образом неметаллы.
Элементы, без которых
невозможны рост и развитие организмов, называют
основными элементами, или макроэлементами.
Из неметаллов это углерод, водород, кислород,
азот, сера, фосфор, хлор.
К макроэлементам
относятся и некоторые металлы: калий, натрий,
кальций, магний.
Макроэлементы составляют около
99% массы организмов. Оставшийся 1% – это те
элементы, которые требуются только в очень малых
количествах (порядка нескольких частей на
миллион). Такие элементы называются микроэлементами.
Вот о них-то и пойдёт речь.
Микроэлементы по своей важности для
регуляции обменных процессов сравнимы с
витаминами. Их даже часто объединяют в одну
группу, поскольку и витамины, и микроэлементы
нужны организму лишь в очень малых количествах.
В
метаболизме они выступают в качестве кофакторов
ферментов, к которым относятся также коферменты
(кофермент – небелковая часть молекулы фермента,
непрочно с ней связанная и участвующая в
выполнении каталитической функции).
Около трети
всех известных ферментов для полного проявления
каталитической активности нуждаются в
минеральных кофакторах. Вот потому-то каждая
уважающая себя фирма, производящая витамины,
старается выпускать комплексные препараты,
включающие в себя и витамины, и минеральные
добавки в расчёте на суточную потребность в них
организма.
Учёные установили, что всем организмам
в определённых сочетаниях необходимы металлы:
марганец, железо, кобальт, медь и цинк (иногда и
тяжёлые металлы, такие как молибден, ванадий,
хром и другие), – а также неметаллы: бор, кремний,
селен, фтор, йод. Невозможно точно сказать, какой
из перечисленных микроэлементов является более
важным для метаболических процессов, поэтому
давайте их рассматривать просто исходя из
порядкового номера в периодической системе.
Фтор.
Характер у этого элемента
весьма агрессивный. Работа с фтором опасна:
малейшая неосторожность – и у человека
разрушаются зубы, ногти, повышается хрупкость
костей, кровеносные сосуды теряют эластичность и
становятся ломкими. Что же натолкнуло учёных на
поиск столь ядовитого элемента в организме?
В 1916 году дантист из Колорадо Фредерик
Мак-Кэй заметил, что пятнистая эмаль зубов у
местных жителей вызывается каким-то веществом,
присутствующим в воде. Он заметил также, что зубы
с пятнистой эмалью более устойчивы к кариесу.
Природа этого таинственного вещества была
установлена только в 1931 году – оказалось, что это
фториды.
Это открытие побудило учёных провести
систематическое изучение химического состава
зубов человека и животных. Было установлено, что
в состав зубов входит до 0,02% фтора. Фториды
кальция и магния входят в состав не только зубов,
но и любой костной ткани, образуя вместе с
фосфатами основной минеральный компонент кости
(опыты над крысами показали, что их скелет
задерживал 60% введенного фтора через 2 ч после
внутривенного введения). В крови же людей
концентрация фтора колеблется в пределах от 0,03
до 0,15 мг/л.
Фтор поступает в организм в основном с
питьевой водой. Концентрация фторидов в питьевой
воде из естественных источников может сильно
колебаться, но чаще всего их мало, обычно около
0,2 мг/л.
Исследования, проведённые в
1933–1942 годах, показали, что при концентрации
фторидов в питьевой воде 1 мг/л у детей на 70%
снижается заболеваемость кариесом.
Однако
избыток фтора (1,5–2 мг/л) приводит к флюорозу –
зубы приобретают пятнистость или окраску за счёт
сколов эмали.
Интересно, что аскорбиновая
кислота влияет на обмен фтора, предотвращая
избыточное накопление его в тканях. Так, введение
витамина С морским свинкам почти полностью
предупреждало появление симптомов интоксикации
при действии повышенных доз фтора.
При рекомендуемых уровнях
фторирования незначительное изменение цвета
эмали наблюдается не более чем у 10% детей.
Наибольший защитный эффект фториды оказывают
при потреблении их детьми в период от рождения до
13 лет, то есть в период формирования зубов; однако и в
дальнейшем фториды полезны – например,
использование фторированной зубной пасты
защищает обнажившиеся поверхности корней зубов
у взрослых.
В 1945 году в США открылась первая в мире
станция фторирования воды, а в 1950 году
Американская ассоциация стоматологов,
министерство здравоохранения США, Всемирная
организация здравоохранения и ряд других
организаций одобрили применение фторирования
питьевой воды для предотвращения кариеса.
Во
многих городах теперь построены специальные
установки для фторирования воды. В тех случаях,
когда фторирование нежелательно или невозможно,
потребление фтора можно увеличить добавками
фторидов в продукты питания.
Среди соединений фтора много ядовитых,
наиболее опасны плавиковая кислота и фторид
натрия. Последний используется как антисептик,
яд для мышей и тараканов и при случайном
употреблении внутрь может вызвать сильное
отравление. Плавиковая кислота – слабая по
сравнению с соляной или серной, но гораздо более
опасна. Ожоги плавиковой кислотой не похожи на
другие – нет волдырей или покраснения кожи, но
попадание её на небольшой участок кожи, например
на пятку, может привести даже к смерти. Причина
ожога – не повышенная кислотность, а понижение
концентрации свободных ионов магния и особенно
кальция в клетках, приводящее к их гибели.
Поскольку плавиковая кислота слабо
диссоциирует, она быстро проникает сквозь кожу и
клеточные мембраны и вызывает повреждение и
последующее отмирание глубоко лежащих тканей.
Поэтому при таком ожоге мало помогает промывание
щелочным раствором. Ожог сопровождается
нестерпимой болью, очень трудно лечится, а после
излечения обычно остаются большие шрамы.
Алюминий.
Вы помните песню
«алюминевые огурцы» группы «Кино»? Этот металл,
действительно, в растениях имеется, и в больших
количествах. Пищевые продукты растительного
происхождения содержат в 5–50 раз больше
алюминия, чем продукты животного происхождения.
Например, в рисе его 290 мг/кг, в шпинате и
чечевице – от 110 до 490 мг/кг, а в мясе и мясных
продуктах содержание алюминия составляет от 1,6
до 20 мг/кг (в расчёте на сухую массу).
В питьевой
воде этого элемента очень мало, но при
использовании алюминиевой посуды для
приготовления кислой пищи его концентрация в
пищевом продукте увеличивается в 1,5–2 раза.
В организме человека больше всего
алюминия содержится в лёгких (5,95 мг% у детей, с
возрастом его содержание значительно
увеличивается), костях (0,5 мг%), головном мозге
(0,25 мг%), почках (0,1 мг%). В цельной крови
содержится от 0,02 до 0,06 мг% алюминия.
Обмен алюминия у человека изучен ещё
недостаточно. Известно, что для человеческого
организма его нужно довольно много (суточная
потребность взрослого человека в алюминии –
49 мг).
Этот микроэлемент в основном связан с
белками и принимает участие в построении
эпителиальной и соединительной ткани, в обмене
фосфора, оказывает влияние на некоторые ферменты
крови и пищеварительные ферменты (активизирует
пепсин и панкреатическую липазу, ингибирует
панкреатическую амилазу и амилазу слюны),
увеличивает выработку соляной кислоты в желудке.
Изменение содержания алюминия в крови
и спинномозговой жидкости отмечено при
некоторых заболеваниях, в частности,
психических.
У больных хроническим алкоголизмом
содержание алюминия в крови резко увеличивается,
а при нефропатии и токсикозе беременных –
снижается.
Кремний.
Давно известно, что
двуокись кремния составляет основу скелетов
некоторых морских организмов – радиолярий,
диатомей, некоторых губок, морских звёзд.
Известно также, что он нужен растениям – от
хвощей и злаков до пальм и бамбука – чем жёстче
стебель растения, тем больше в его золе находят
кремния.
Кремний – второй по распространённости
в природе (после кислорода) химический элемент,
но в свободном виде не встречается. В пресной и
морской воде содержится около 3 мг/л кремния (в
виде соединений) – из воды его и получают
растения и животные.
Роль кремния в жизни высших животных и
человека долгое время оставалась неясной.
Считали, что сам по себе кремний биологически
инертен, хотя его соединения могут быть причиной
некоторых патологий. Так, довольно серьёзное
заболевание – силикоз лёгких – возникает при
длительном вдыхании пыли, содержащей двуокись
кремния. Лёгкие теряют эластичность, а оксид
кремния, поступивший через паренхиму лёгких в
лимфу, токсичен для макрофагов – основных
участников клеточного иммунитета.
В то же время известно, что в
человеческом организме кремний есть практически
повсеместно. Больше всего его в костях, коже,
соединительной ткани, а также в некоторых
железах (печень, надпочечники). Эпителиальные
образования – волосы, хрусталик, отчасти кожа –
тоже богаты кремнием. Содержание кремния в крови
колеблется в пределах 300–650 мг/л.
О том, в каких процессах участвует
кремний в живых системах, известно мало.
По-видимому, кремний играет роль одного из
факторов прочности эпителиальных и
соединительно-тканных образований. При
переломах костей содержание кремния в месте
перелома увеличивается почти в 50 раз.
Минеральные воды с высоким содержанием кремния
(например, довольно популярная на Кавказе вода
«Джермук») оказывают благотворное влияние на
здоровье людей, особенно пожилых.
C возрастом
содержание кремния в костной ткани, артериях,
коже существенно уменьшается. Предполагается,
что это одна из причин развития атеросклероза.
Ванадий.
Ещё в прошлом веке ванадий
был впервые обнаружен в составе некоторых
растений, после чего присутствие этого элемента
в углях, торфе и сланцах перестало казаться
странным. Один из растительных «собирателей»
ванадия хорошо знаком каждому – это ядовитый
гриб бледная поганка. Более безопасный и даже
очень полезный источник микроэлемента – зелень
петрушки. Животные жиры (особенно свиной и
куриный) также богаты им.
В крови некоторых обитателей морей и
океанов – морских ежей, голотурий, асцидий –
содержание ванадия достигает 10%.
Предполагается, что ванадий у них играет ту же
роль, что и железо в гемоглобине у других
животных.
Организм здорового взрослого человека
содержит 10–25 мг ванадия, большая часть
которого находится в костях, зубах и жире.
Очень
много этого металла в лёгких (0,6 мг/кг) – он
оседает там при вдыхании атмосферной пыли.
Содержание ванадия в крови около 10 мкг/л.
Учёные установили, что суточная потребность
человеческого организма в ванадии составляет
1–4 мг.
Ванадий влияет на липидный обмен в
организме человека.
Он усиливает окисление
фосфолипидов и угнетает синтез холестерина в
клетках печени, но, к сожалению, это действие
ванадия проявляется в основном у нестарых людей.
Включение небольших количеств ванадия в пищу
кроликов, больных туберкулёзом, вызывало
ощутимое уменьшение туберкулёзных очагов. Этот
металл, стимулируя (в больших концентрациях –
раздражая) костный мозг, усиливает эритропоэз
(образование эритроцитов) и повышает уровень
гемоглобина в крови. Правда, при значительном
содержании ванадия в рационе крыс (больше
25 мг/кг) у животных случался понос. Неразумное
потребление этого элемента может вызвать
гипоксию (кислородное голодание организма).
Марганец.
С начала прошлого века
известно, что марганец входит в состав живых
организмов. На сегодняшний день установлено, что
незначительные количества марганца
присутствуют во всех растениях и животных. Нет
его только в белке куриного яйца и очень мало – в
молоке.
В организме марганец распределяется
неравномерно. В крови человека и большинства
животных содержание марганца составляет
примерно 0,02 мг/л.
Организм взрослого мужчины
(70 кг) содержит 12–20 мг марганца. В основном
он содержится в костях, печени, почках,
поджелудочной железе и гипофизе (1–3 мг/кг).
Этого металла почему-то очень мало в
злокачественных опухолях.
Отсутствие марганца в пище животных
сказывается на их росте и мышечном тонусе.
Возникают дефекты развития скелета, например,
укорочение длинных костей. Как большинство
микроэлементов-металлов, марганец влияет на
процессы кроветворения. При его недостатке
развивается анемия, связанная с нехваткой
эритроцитов. В то же время большие дозы марганца
делают недоступным для организма другой очень
важный микроэлемент – медь, также приводя к
анемии.
В 1960-х годах было показано, что марганец
играет специфическую роль в синтезе
мукополисахаридов хрящевой тканью.
Кроме того,
он ускоряет образование антител к чужеродным
белкам. Если после введения морским свинкам
смертельных доз столбнячных или дизентерийных
бактерий ввести противостолбнячную или
противодизентерийную сыворотку, то животным они
уже не помогут. Введение сыворотки вместе с
хлористым марганцем излечивало морских свинок.
Внутривенным вливанием раствора сульфата
марганца удается спасать укушенных каракуртом –
ядовитейшим из среднеазиатских пауков.
Содержание марганца в крови имеет
большое диагностическое значение. При инфаркте
миокарда и язвенной болезни двенадцатиперстной
кишки его уровень всегда повышен, а вот у больных
первичным раком и циррозом печени уровень
марганца в крови весьма низок.
Железо.
В 1835 году «Журнал
мануфактур и торговли», сообщая о товарах,
присланных из Вены в Петербург, упоминает
металлические намагниченные бруски как средство
от зубной и головной боли. Бруски
рекомендовалось носить на шее. В древности и в
средние века магнит употребляли не только как
наружное, но и как внутреннее средство. Гален
считал магнит слабительным, Авиценна лечил им
ипохондриков. Мы же с вами живём в более
«просвещённые» времена и благодаря стараниям
науки знаем, что этот металл способен влиять на
организм не только магнитными полями, но и
непосредственно – химически. Железо играет
важнейшую роль в физиологии растений, животных и
человека.
При недостатке железа в почве у
растений нарушается азотистый, жировой и
минеральный обмен, возникает хлороз
(обесцвечивание) листьев, вызванный недостатком
хлорофилла.
А у представителей фауны,
нуждающихся в этом микроэлементе, развиваются
анемии.
Содержание железа в крови человека
весом 70 кг составляет 4–5 г. Большая часть
железа находится в крови (60–75% этого металла
связано с гемоглобином). Это подвижная и легко
обменивающаяся фракция железа.
Медленно
обменивающееся железо находится в ретикулярных
клетках печени, селезёнки и костном мозгу, а
также в мышцах (белок мышечной ткани – миоглобин
– содержит 3–5% железа от общей его доли в
организме). К этой же фракции относится и железо
металлоферментов клеток.
Железо, как и любой другой
микроэлемент, совершает в организме постоянный
кругооборот. При физиологическом распаде
эритроцитов 9/10 железа остаётся в организме и
идёт на построение новых эритроцитов, а теряемая
1/10 часть пополняется за счёт пищи.
Дефицит железа
у человека может возникнуть лишь в результате
недостаточного потребления или плохой
усваиваемости белка.
Замечено, что витамин С
способствует всасыванию железа в кишечнике и
необходим для переведения железа в биологически
более активную форму (Fe3+ восстанавливается до
Fe2+).
Очень высокий уровень фосфатов, а также
повышенные концентрации цинка, кадмия, меди и
марганца, ухудшают усвоение железа.
Входя в состав гема в гемоглобине и
миоглобине, железо делает нашу кровь и мышцы
красными. Гемоглобин обеспечивает транспорт
кислорода и углекислоты в крови, а миоглобин в
мышцах играет роль кратковременного хранилища
кислорода и облегчает поступление кислорода к
другим тканям.
Железо входит также в состав
ферментов (цитохромов) дыхательной цепи
митохондрий, обеспечивающей клетку молекулами
АТФ, а следовательно, и энергией.
Железо является
кофактором каталазы – фермента, разрушающего
перексид водорода и оберегающего клетки от его
повреждающего действия. Это основные функции
данного микроэлемента.
Кобальт.
В некоторых районах
разных стран, в том числе и нашей, печальной
известностью пользовалось заболевание скота,
иногда называемое сухоткой. Животные теряли
аппетит и худели, их шерсть переставала блестеть,
слизистые оболочки становились бледными. Резко
падало количество эритроцитов, снижалось
содержание гемоглобина. Возбудителя болезни
найти не могли, однако её распространённость
создавала полное впечатление эпизоотии.
В Австрии и Швеции неизвестную болезнь
называли болотной, кустарниковой, прибрежной.
Если в район, поражённый болезнью, завозили
здоровых животных, то через год–два они тоже
заболевали. В то же время животные, вывезенные из
района «эпидемии», были незаразными и вскоре
выздоравливали. Так было и в других странах.
Это обстоятельство заставило искать
причину болезни в корме. И когда после
кропотливых исследований она была наконец
установлена, болезнь получила название, точно
определяющее эту причину, – акобальтоз, или
дефицит кобальта.
Так зачем организму кобальт?
Есть такая болезнь – злокачественное
малокровие. При его развитии сильно снижаются
количество эритроцитов и уровень гемоглобина в
крови, нарушается синтез миелина и миелинизация
нервов, разрушается эпителий кишечника и в
конечном итоге наступает смерть. В поисках
средства от этого недуга врачи обнаружили, что
сырая печень, употребляемая в пищу, задерживает
развитие малокровия. Из печени удалось выделить
вещество, способствующее появлению красных
кровяных клеток. Восемь лет потребовалось, чтобы
выяснить его химическое строение. За эту работу
английской исследовательнице Дороти Ходжкин
присудили в 1964 году Нобелевскую премию по химии.
Вещество это, получившее название кобаламина,
или витамина В12, содержит 4,5% кобальта.
Кобаламин
содержится только в продуктах животного
происхождения, поэтому вегетарианцам
рекомендуется принимать его дополнительно в
виде витаминного препарата.
Исследования с радиоактивным
кобальтом показали, что в наибольших количествах
он содержится в печени и почках, меньше – в
поджелудочной железе и ещё меньше – в других
тканях.
Содержание кобальта в цельной крови
составляет 4–10 мкг%.
Кобальт всегда содержится
в молоке.
Кобальт влияет на синтез мышечных
белков, на миелинизацию нервных волокон.
Недостаточное поступление солей кобальта в
организм приводит к неполному усвоению кальция и
фосфора.
Он способствует включению иона железа в
молекулу гемоглобина.
В отличие от некоторых других
микроэлементов кобальт не может накапливаться в
организме, и поэтому он постоянно должен
поступать с пищей.
Компенсировать недостаток
кобальта можно с помощью некоторых пищевых
продуктов, например винограда. Во многих южных
странах виноградники опрыскивают раствором
сернокислого кобальта. С таких участков собирают
больше ягод, и они слаще, чем с «бескобальтовых»
участков (кобальт принимает участие в углеводном
обмене).
Никель.
О биологическом
воздействии никеля известно уже немало. Никеля в
почвах и в растениях значительно больше, чем в
тканях и жидкостях животных организмов: у
растений в среднем 5·10–5% (по массе), у морских
животных – 1,6·10–5%, у наземных – 1·10–5%, в
человеческом организме – до 0,2·10–5%.
Богаты
никелем листовые овощи – петрушка, салат, шпинат;
много его в гречневой и овсяной крупе. Поэтому
рацион вегетарианца богаче этим элементом. При
использовании никелированной посуды для кислых
продуктов пища может обогащаться никелем.
Некоторые растения под влиянием
избытка никеля в почве принимают необычные
формы. Поиск таких форм – один из методов
геоботаники, используемый при разведке
никелевых месторождений.
Основным депо никеля в организме
человека являются печень и почки, а в крови его
совсем мало (8–12 мкг%).
Никель может попадать в
организм двумя путями: через пищу и через воздух.
Никель, поступающий с пищей, считается
малотоксичным, так как он плохо всасывается.
Замечено, что соли никеля в малых количествах (до
5 мг) активируют такие пищеварительные
ферменты, как панкреатические липазы (ферменты
поджелудочной железы, расщепляющие некоторые
липиды) и пепсин. Правда, в больших количествах
(10–20 мг) никель ингибирует некоторые ферменты,
включая пепсин. Но при попадании вместе с
воздухом в лёгкие этот металл становится опасным
(никель рассматривается как канцерогенный
фактор табачного дыма, способствующий развитию
рака лёгкого).
Очень высокие дозы никеля
повреждают роговицу глаза – возникают кератиты
и керато-конъюнктивиты.
По своему влиянию на кроветворение
никель напоминает кобальт – после острых
кровопотерь подкожные инъекции никеля ускоряют
восстановление уровня эритроцитов.
При
различных формах анемии уровень никеля в крови
снижается.
Установлено, что никель постоянно
присутствует в РНК, принимая участие в
сохранении конформации молекулы.
Медь.
Медь присутствует во многих
органах и тканях живых организмов. Она впервые
была обнаружена в составе растительных
организмов в начале XIX века. Затем в 1830 году её
нашли и в тканях животных, а спустя 8 лет – в
тканях человека. С тех пор началось изучение
биологической роли меди.
Выяснилось, что этого элемента много в
крови некоторых низших животных. Гемоцианин –
пигмент крови моллюсков и ракообразных –
содержит её 0,15–0,26%.
Медь нужна и растениям – это
один из важнейших микроэлементов, участвующий в
процессе фотосинтеза и влияющий на усвоение
растениями азота.
Недостаточно меди в почве –
растения хуже плодоносят или вообще становятся
бесплодными.
Медные удобрения (обычно это медный
купорос) содействуют синтезу белков, жиров и
витаминов. Кроме того, они повышают устойчивость
к болезням многих сельскохозяйственных культур.
Медный купорос (CuSO4·H2O) – соль
ядовитая: в дозе, превышающей 0,6 г, она вызывает
у человека рвоту, а в дозе 1–2 г – тяжёлое
отравление с возможным смертельным исходом.
Особенно губительно медный купорос действует на
низшие организмы: его раствором протравливают
семена перед посевом, чтобы уничтожить на них
споры плесневых грибов.
Общее содержание меди в теле человека
составляет около 80 мг. У взрослого человека
содержание меди обычно остаётся без заметных
изменений до глубокой старости.
Настоящей
«хозяйкой медной горы» в организме человека
является печень. Она содержит 650–900 мкг меди на
100 г сырого веса. Это позволяет считать печень
физиологическим депо для данного элемента.
В
крови содержание меди составляет от 80 до 150 мкг
на 100 мл. Здесь она находится в основном в таких
форменных элементах, как эритроциты, эозинофилы
и базофилы (гранулярные лейкоциты).
В клетках животных наибольшее влияние
этот микроэлемент оказывает на процесс
тканевого дыхания, так как входит в состав
цитохромоксидазы – фермента, непосредственно
переносящего электроны с окисляемых субстратов
на кислород. Медьсодержащим ферментом является и
тирозиназа, отвечающая за образование миелина.
Порфириновые соединения меди служат звеном при
синтезе гемоглобина, необходима медь и для
всасывания железа в кишечнике.
Ионы меди
воздействуют на метаболизм таких витаминов, как
В1, С, А.
Исследования многих учёных показали,
что медь необходима в таких физиологических
процессах, как гемопоэз, пигментация и
кератизация кожи и волос, остеогенез,
воспроизводительная функция.
Дефицит меди
является усугубляющим фактором при развитии
эндемического зоба (медь нужна для усвоения
больших доз йода).
Очень важен этот металл для
повышения иммунобиологической устойчивости и
сопротивляемости организма.
Цинк.
Медики издавна применяют
многие соединения этого элемента. Со времён
Парацельса до наших дней в фармакопее значится
0,25%-ный раствор сульфата цинка в качестве глазных
капель. Как присыпка издавна применяется
цинковая соль стеариновой кислоты. Фенолсульфат
цинка – хороший антисептик. Суспензия, в которую
входят инсулин, протамин и хлорид цинка, –
эффективное средство против диабета,
действующее лучше, чем просто инсулин. И вместе с
тем многие соединения цинка, прежде всего его
сульфат и хлорид, токсичны.
Биологическая роль цинка выяснена не
до конца. Ещё в 1869 году было показано, что цинк
является необходимым элементом питания гриба Aspergillus
niger.
Сейчас цинк обнаружен во всех клетках и
органах высших животных и человека.
Общее
содержание цинка в теле человека весом 70 кг
составляет 2–3 г. Наибольшее его количество
обнаруживается в сетчатке глаза, предстательной
железе и сперме, богаты цинком печень и мышцы.
Среднее содержание цинка в крови составляет
600–800 мкг% (0,6–0,8 мг на 100 мл).
Находящийся в
клетках цинк легко соединяется с аминокислотами,
белками, пуриновыми основаниями, нуклеиновыми
кислотами.
Цинк входит в состав многих ферментов.
Так, цинк – обязательная составная часть
фермента карбоангидразы, содержащегося в
эритроцитах. Карбоангидраза ускоряет выделение
углекислого газа в лёгких. Кроме того, она
помогает превратить часть СО2 в ион НСО3–,
играющий важную роль в обмене веществ.
Цинк
необходим для функционирования многих
дегидрогеназ, например, глутаматдегидрогеназы и
малатдегидрогеназы, а также
алкогольдегидрогеназы, содержащейся в печени и
катализирующей окисление этанола в уксусный
альдегид.
Довольно много цинка содержится в ядах
змей, особенно гадюк и кобр. Известно, что эти яды
в присутствии солей цинка теряют токсичность и в
то же время соли цинка защищают яды от
разрушения. Считается, что высокое содержание
цинка – это то средство, которым змея защищается
от собственного яда.
Недавно было установлено, что при
злокачественных новообразованиях содержание
ионов цинка в клеточных органеллах, клетках и
отдельных органах увеличивается 1,5–2, а иногда и
в 3 раза. Хотя причины этого пока не известны, само
явление может служить для ранней диагностики
рака.
Животные и человек получают цинк с
пищей. Интересно, что особенно много цинка
содержится в грибах вешенках, которые поэтому
могут использоваться для профилактики цинковой
недостаточности.
Недостаток цинка в рационе
имеет различные последствия, в том числе и на
уровне высшей нервной деятельности. Так, самки
крыс, получавшие пищу, в которой совсем не было
цинка, становились отчаянными драчуньями, и эта
особенность характера передавалась по
наследству, причём самкам в большей степени, чем
самцам.
Дефицит цинка у разных животных
проявляется примерно одинаково, а основными
признаками его являются повреждение кожи
(паракератоз), нарушения скелета (особенно
длинных костей), дефекты репродуктивных органов
самцов.
Типичным проявлением недостатка цинка у
человека является карликовость.
Селен.
Это, пожалуй, самый
противоречивый по действию на живые системы
элемент: все соединения селена ядовиты, но в то же
время в тканях большинства организмов находят
селен в концентрациях от 0,01 до 1 мг/кг.
Избыток селена в почве – причина
известного заболевания скота, так называемого
алколоиза (в просторечье – вертячка). У домашних
животных, поражённых этим заболеванием, начинает
выпадать шерсть, деформируются рога и копыта.
Из-за расстройства зрения и нервной системы
нарушается координация движений и животные
движутся по кругу (отсюда и название болезни).
Биохимики предполагают, что селен (в
больших концентрациях) связывается с
дисульфидными и сульфгидрильными группами
белков-ферментов и кератинов. Это сопровождается
тканевой гипоксией и разрушением клеточных и
внутриклеточных мембран.
Однако еще в 1967 году было доказано, что
селенит натрия (Na2SeO3) может быть очень
полезным в ветеринарии и животноводстве.
Микродозы этой соли избавляли цыплят от
экссудативного диатеза. В опытах с крысами,
получавшими корм с добавками, которые со
временем должны были привести к развитию у них
некроза печени, селенит натрия предотвращал
развитие заболевания.
Недостаток селена вызывает у животных
более двадцати тяжело протекающих заболеваний,
сходных по симптомам с Е-авитаминозом. Оказалось,
что селен и витамин Е являются синергистами,
то есть веществами, усиливающими действие друг друга
на метаболизм.
Антиоксидантные свойства
витамина Е давно и хорошо известны, но при чём
здесь селен? Дело в том, что 4 атома селена входят
в фермент глютатионпероксидазу, который
превращает перекиси органических кислот в
нетоксичные оксикислоты. Селен содержится и в
других белках: глицинредуктазе, ферредоксине, а
также в цитохроме С – одном из компонентов
дыхательной цепи митохондрий.
Участвует селен и в организации
иммунного ответа организма. Он активизирует
фагоцитарную активность макрофагов и
гранулоцитов, цитолитическую активность
Т-киллеров, выработку иммуноглобулинов и т.п.
Полагают, что селен влияет на биосинтез иммунных
белков и участвует в организации «дыхательного
взрыва». При этом в некоторых клетках иммунной
системы образуются продукты неполного
восстановления кислорода: супероксид-анион (О2–)
и гидроксильный радикал (ОН–). Эти соединения
обладают очень высокой реакционной
способностью. Они вызывают целый каскад реакций
в клетке, в частности цепных реакций окисления,
приводящих к гибели клетки. При чём же тут селен?
В специальных опытах установлено, что недостаток
селена блокирует «дыхательный взрыв». Очень
похоже, что селен участвует как в самой
организации этого процесса, так и в защите клеток
иммунной системы от их же собственного оружия –
супероксид-аниона и гидроксильного радикала.
Селен – фоточувствительный
полупроводник, и в технике используется в
различных устройствах для преобразования света
в электричество. Возможно, эти его свойства
используются и организмами, поскольку селен был
обнаружен в сетчатке глаза. У человека его
оказалось немного – около 7 мкг (общее
содержание селена в организме взрослого
человека составляет 14–15 мг), зато у орла – в 100
с лишним раз больше, 780 мкг. Позже в опытах с
кроликами была выявлена прямая зависимость
между остротой зрения и содержанием селена в
сетчатке.
Бром.
Персонажи многих книг,
написанных в прошлом веке, чтобы успокоиться,
принимают бром. Не сам бром, разумеется, а
растворы бромистого натрия или калия. Применять
их как средство от бессоницы, неврастений,
переутомления начали уже лет через десять после
открытия этого элемента в 1825 году.
Академик
Павлов и его ученики впервые установили, что бром
усиливает торможение в ЦНС. И сейчас в свете
современных данных брому приписывается важная
физиологическая функция – регулирование
нервной деятельности. Отмечая это свойство, И.П.
Павлов заявил, что человечество должно быть
счастливо, располагая таким драгоценным для
нервной системы препаратом, как бром.
Бром относится к группе незаменимых
микроэлементов. Он обнаружен в морских и
наземных растениях, в организмах животных и
человека. Больше всего этот неметалл
накапливается в грибах, особенно в боровиках,
подберёзовиках, подосиновиках.
У человека в
наибольших количествах бром обнаруживается в
гипофизе (15–30 мг%), мозговом слое
надпочечников (1,4–1,8 мг%), щитовидной железе
(0,9–1,4 мг%) и крови (0,6 мг%).
В сутки человеку необходимо примерно
0,8 мг этого элемента.
Соли брома влияют на
половую функцию организма, регулируя процесс
эякуляции у самцов и течение полового цикла у
самок.
Соединения брома применяют при лечении
некоторых сердечно-сосудистых заболеваний,
язвенной болезни, эпилепсии.
Но, в то же время, под
действием брома, длительное время и в больших
количествах поступающего в организм, отмечается
угнетение функции щитовидной железы, так как бром
вступает в конкурентные отношения с йодом.
В наше время растворы бромидов натрия
и калия в медицине практически не применяются. Их
стали вытеснять броморганические препараты,
более эффективные и, в отличие от бромидов, не
раздражающие слизистые оболочки. Как хорошие
успокаивающие средства применяют брометон,
бромалин, бромурал. Последний используют и как
снотворное, а в больших дозах – для наркоза.
Четырёхзамещённые бромиды аммония и ксероформ
(трибромфенолят висмута) – прекрасные
антисептики.
Бромом модифицируют даже
антибиотики – бромтетрациклин нашёл широкое
применение в борьбе с инфекциями.
Молибден.
В низких концентрациях
молибден, как и хром, широко распространён в
природе. Впервые его биологическое значение было
показано в связи с потребностью в нём
азотфиксирующих бактерий. Ещё в 1930 году
установили, что данный элемент весьма существен
для роста азотфиксирующих бактерий Azotobacter.
Особенно много этого металла оказалось в бобах и
горохе. Позднее выяснилось, что молибден входит в
состав фермента клубеньковых бактерий –
нитроредуктазы.
Молибден обнаружили не только в
корневой системе, но и в зелёной массе растений
(около 1 мг на килограмм сухой массы). Нашли его
и в организмах животных.
Изучение роли молибдена как
необходимого микроэлемента началось после того,
как в одном из опытных хозяйств Новой Зеландии
заметили, что добавление в почву незначительных
количеств молибденовых солей увеличивает урожай
люцерны и клевера примерно на 30%. Причём
оказалось, что этот элемент необходим высшим
растениям независимо от его роли в фиксации
азота клубеньковыми бактериями.
Особенно эффективен молибден на
кислых почвах.
На краснозёмах и бурозёмах,
содержащих много железа, действие молибдена,
напротив, минимально. Тем не менее в некоторых
странах увлечение молибденовыми удобрениями
приняло массовый характер, и лишь после этого
выяснилось, что палка-то о двух концах.
Избыток
молибдена оказался вреден не только для
растений, но и для животных, и для человека. В ряде
районов Англии целые стада крупного рогатого
скота страдали острой диареей, вызванной
повышенным содержанием молибдена в
подкормленной им траве. Оказалось, что больных
животных можно лечить большими количествами
меди. Заодно выяснилось, что эти элементы
являются антагонистами: молибден эффективен при
лечении скота с хроническим отравлением медью.
При помощи радиоактивных изотопов
удалось выяснить, что молибден избирательно
накапливается в надпочечниках, печени, почках,
костях, глазах, лимфатических узлах.
Содержание
молибдена в цельной крови составляет 1,4 мкг%.
Молибден играет важную роль в
азотистом обмене. Ферменту ксантиноксидазе,
превращающему ксантин и другие пуриновые
основания в мочевую кислоту, для проявления
активности необходимы два атома молибдена.
Если
молибдена в пище много, то возрастает и
активность ксантиноксидазы, а следовательно, и
синтез мочевой кислоты, и почки уже не успевают
выводить её из организма. Избыток мочевой
кислоты приводит к отложению её солей в суставах
и сухожилиях, и суставы начинают болеть. У врачей
этому заболеванию есть специальное название –
эндемическая молибденовая подагра.
С другой
стороны, если молибдена не хватает, то появляются
ксантиновые камни в почках.
Йод.
Биологические функции йода
многообразны.
Йод обладает антисептическими
свойствами. Кстати, йод в хирургии первым
использовал французкий врач Буанэ.
Как ни
странно, самые простые лекарственные формы йода
– водные и спиртовые растворы – очень долго не
находили применения в хирургии, хотя ещё в
1865–1866 годах великий русский хирург
И.И. Пирогов применил йодную настойку для
обработки ран.
Биологическая роль йода начала
выясняться в середине XIX века.
В 1854 году
французский химик-аналитик Шатен обнаружил, что
распространённость заболевания зобом находится
в прямой зависимости от содержания йода в воде,
почве, потребляемой людьми пище. Коллеги
опротестовали выводы Шатена, более того,
Французская академия наук признала их вредными.
Что же касается происхождения болезни, то тогда
считали, что её могут вызвать 42 причины –
недостаток йода в этом перечне не фигурировал.
Прошло почти полстолетия, прежде чем
авторитет немецких учёных Баумана и Оствальда
заставил французских учёных признать ошибку.
Опыты Баумана и Оствальда показали, что
щитовидная железа содержит большое количество
йода и вырабатывает содержащие йод гормоны.
Недостаток йода приводит сначала лишь к
небольшому увеличению щитовидной железы, но,
прогрессируя, эта болезнь поражает многие
системы организма. В результате нарушается обмен
веществ, замедляется рост. В отдельных случаях
эндемический зоб может привести к глухоте,
кретинизму. Эта болезнь распространена
преимущественно в горных районах и в местах,
сильно удалённых от моря.
О широком распространении болезни
свидетельствуют произведения живописи. Один из
лучших женских портретов Рубенса - «Соломенная
шляпка». У красивой женщины, изображённой на
портрете, заметна припухлость шеи (врач сразу
сказал бы, что увеличена щитовидная железа). Те же
симптомы и у Андромеды с картины «Персей и
Андромеда».
Признаки йодной недостаточности
видны также у некоторых людей, изображённых
Рембрандтом, Дюрером, Ван-Дейком.
Интересно, что история лечебного
применения йода уходит в глубь веков. Целебные
свойства веществ, содержащих йод, были известны
за 3 тысячи лет до того, как был открыт сам элемент:
китайский кодекс 1567 года до н.э. рекомендует
для лечения зоба морские водоросли, богатые как раз
йодом.
Общее содержание йода в человеческом
организме составляет 20–25 мг, причём половина
его находится в щитовидной железе (9,8 мг%). Есть
йод и в мышцах, почках, коже и её производных
(волосах, ногтях).
Нормальное общее содержание
йода в крови достигает 15 мкг%. Концентрация
йода в крови называется йодным зеркалом крови.
Любопытно, что содержание йода в крови человека
зависит от времени года: с сентября по январь
концентрация йода снижается, с февраля начинает
возрастать и в мае–июне достигает наивысшего
уровня. Эти колебания относительно невелики и их
причины до сих пор остаются загадкой.
Йод поступает в организм человека в
виде его солей. Несколько капель йодной настойки
на стакан молока могут оказаться полезными,
особенно для профилактики и лечения
атеросклероза. Но в больших количествах
элементарный йод опасен: доза в 2–3 г
смертельна.
Йодиды, поглощённые щитовидной
железой, находятся главным образом в
тиреоглобулине – сложном высокомолекулярном
белке. С использованием тиреоглобулина фермент
йодиназа йодирует ароматические кольца
незаменимой аминокислоты тирозина, образуя
главный гормон щитовидной железы – тироксин (в
меньших количествах эта железа вырабатывает
другой гормон – трийодтиронин).
Функции этих двух гормонов
заключаются в ускорении реакций, протекающих во
всех клетках организма. При гипофункции
щитовидной железы, вызванной недостатком йода,
наблюдается снижение основного обмена,
температура тела становится ниже нормальной. У
детей развивается микседема – в подкожной
соединительной ткани скапливается межтканевая
жидкость, замедляется рост и снижается
умственная деятельность (кретинизм). У взрослых
помимо микседемы развивается зоб, то есть
разрастается паренхима щитовидной железы.
Простейшее и надежнейшее средство в
борьбе с эндемическим зобом – добавка микродоз
йодидов к поваренной соли.
Существуют
лекарственные препараты и пищевые добавки на
основе морских водорослей. Например,
небезызвестный «Сплат».
Но гиперфункция
щитовидной железы также опасна: железа
синтезирует слишком много гормона, в результате
чего ускоряется основной обмен, учащается пульс,
человек худеет и проявляются другие неприятные
симптомы базедовой болезни.
В заключение разговора о
микроэлементах хотелось бы обратить ваше
внимание на биологическое значение некоторых
химических элементов, казалось бы, не
совместимых с жизнью или требующихся в совсем уж
ничтожных количествах.
В ходе различных исследований
выяснилось, что при ишемической болезни сердца и
при заболеваниях органов пищеварения
наблюдается уменьшение содержания в крови таких
веществ, как барий, стронций, свинец (колебания
последнего были обнаружены при инфаркте
миокарда – в первые дни болезни его уровень
резко увеличивался).
Наряду с другими микроэлементами
(кремнием, ванадием) для построения
эпителиальной ткани используется титан. Он же
причастен к процессам кроветворения, и снижение
его концентрации наблюдается при лейкозе и
некоторых формах анемии. Содержание титана в
крови уменьшается при раке и язвенной болезни
желудка.
Малые концентрации ртути оказывают
положительное влияние на фагоцитарную
активность лейкоцитов и повышают иммунную
устойчивость организма. Препараты ртути издавна
применяли для лечения некоторых заболеваний, в
частности сифилиса.
Терапевтический эффект соединений
мышьяка также известен с древних времён.
Органические соединения мышьяка нашли успешное
применение в клинической практике при лечении
сифилиса, трипаносомоза, амёбиаза. Имеются
отдельные сведения о благотворном действии
мышьяка на жизнеспособность приплода крупного
рогатого скота.
Все эти элементы достаточно широко
распространены в нашем техногенном мире, и
обычно не требуется дополнительного введения их
в рацион.
Комментариев нет:
Отправить комментарий