 |
Топография важнейших биогенных элементов в организме человека
|
|
|
|
Лекция № 34-37. Химия биогенных элементов
1. Биосфера, круговорот биогенных элементов. Кларки элементов.
Классификации элементов
3. Топография важнейших биогенных элементов в организме человека
4. Биологическая роль основных классов элементов в организме
5. Биологическая роль s-элементов IА-группы. Их применение в медицине
6. Биологическая роль s-элементов IIa-группы.
7. Биологическая роль p-элементов
8. Биологическая роль d-элементов IБ-группы.
9. Биологическая роль d-элементов VIБ-группы. Их применение в медицине
10. Биологическая роль d-элементов семейства железа. Применение их соединений в медицине
Биосфера, круговорот биогенных элементов. Кларки элементов.
По В. И. Вернадскому, биосфера — это определенным образом организованная среда, переработанная живыми организмами и космическими излучениями и приспособленная к жизни. Ее верхняя граница (тропосфера) находится на высоте 12—15 км, а нижняя (литосфера) — на глубине до 5 км. Следовательно, биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.
Распространенность химических, элементов в земной коре различна. Сравнительно небольшое число элементов составляют земную кору. Около 50 % массы Земной коры приходится на кислород, более 25 % — на кремний. Восемнадцать элементов — кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород, титан, углерод, хлор, фосфор, сера, азот, мар ганец, фтор, барий — составляют 99,8 % массы земной коры. На долю всех остальных элементов приходится лишь 0,2 %.
Согласно В. И. Вернадскому, живые организмы (живое вещество) принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре. Минералы, природные химические вещества образуются в биосфере в различных количествах благодаря деятельности живого вещества.
|
|
|
Примером геохимической роли живого вещества является кальциевая функция, характерная для всех организмов, имеющих кальций-фосфатный (карбонатный) скелет. Концентрируя кальций в своих телах, живые организмы энергично извлекают его из окружающей среды. Другим примером геохимической роли живого вещества является образование горных пород, например железных руд, в результате деятельности микроорганизмов.
Изучая геохимические превращения в земной коре, В. И. Вернадский установил, что изменения, происходящие в верхних слоях земной коры, оказывают определенное влияние на химический состав живых организмов. Исследования химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных, человека показали, что в живых организмах, в том числе и у человека, можно обнаружить почти все те же элементы, которые есть в земной коре и морской воде. Таким образом, были подтверждены предположения В. И. Вернадского о сходстве химического состава земной коры и живых организмов.
Содержание элементов, ковалентно связанных с органической частью биомолекул, уменьшается с ростом заряда ядра атомов элементов в данной группе периодической системы в IIIА— VIА-группах. Содержание элементов, находящихся в организме в виде ионов (s-элементы IА - IIА-групп, р-элементы VIIА-группы), с ростом заряда ядра атома элемента в группе увеличивается до элемента с оптимальным ионным радиусом, а затем уменьшается. Так, например, в IIА-группе при переходе от бериллия к кальцию содержание элементов в организме увеличивается, а при дальнейшем переходе от бария к радию снижается. Аналогично и в VIIА-группе: при переходе от фтора к хлору содержание элемента в организме увеличивается, а затем уменьшается.
В процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим основой использования тех или иных химических элементов при создании биосистем является естественный отбор. Большую долю вещества живых организмов составляют элементы, которые имеют довольно высокую распространенность в земной коре. Однако эта закономерность соблюдается не всегда. Так, в земной коре содержится много кремния (27,6%), а в живых организмах его мало. Аналогично и для алюминия, который в больших количествах содержится в земной коре (7,45 %) и в очень незначительных — в живых организмах.
|
|
|
Непропорциональное содержание элементов в организме и среде связано с тем, что на усвоение элементов влияет растворимость их природных соединений в воде. Природные соединения кремния SiO2, алюминия Al2O3 практически нерастворимы, поэтому они не усваиваются живыми организмами. Наблюдается и обратная картина, например, углерод в незначительных количествах содержится в земной коре (0,35%), а по содержанию в живых организмах занимает 2-е место (21%).
Увеличенное содержание элемента в организме по сравнению с окружающей средой называют биологическим концентрированием элемента.
В результате естественного отбора основу живых систем составляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, получивших название органогенов. Эти элементы составляют в организме 97,4%.
Органогеном номер 1, несомненно, является углерод. Он способен образовать прочные ковалентные связи.
Кислород и водород скорее следует рассматривать как носители окислительных и восстановительных свойств органических соединений углерода. Соотношение кислорода и водорода в биомолекулах определяет тенденцию этих соединений к диспропорционированию и взаимодействию их с водой — средой живых организмов.
Остальные три органогена — азот, фосфор и сера, а также некоторые другие элементы — железо, магний, составляющие активные центры ферментов, как и углерод, очень лабильны. Для органогенов характерно образование водорастворимых соединений, что способствует их концентрированию в живых организмах. Характерным для органогенов, а также для некоторых металлов железа, магния и других является исключительное разнообразие образуемых ими связей. Это в значительной мере определяет разнообразие биомолекул в живых организмах.
|
|
|
Классификации элементов
Существуют различные классификации химических элементов, содержащихся в организме человека. Так, В. И. Вернадский в зависимости от среднего содержания (массовой доли w %) в живых организмах делил элементы по декадной системе. Соответственно этой классификации элементы, содержащиеся в живых организмах, делятся три группы:
1. Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10-2 %. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор.
2. Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10~3 до 10-5%. К ним относятся иод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт.
3. Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10-5%. К ним относятся ртуть, золото, уран, торий, радий и др.
В настоящее время в литературе ультрамикроэлементы объединены с микроэлементами в одну группу.
Однако эта классификация отражает только содержание элементов в живых организмах, но не указывает на биологическую роль и физиологическое значение того или иного элемента.
В. В. Ковальский, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил химические элементы на 3 группы.
1. Жизненно необходимые (незаменимые) элементы. Они постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов: Н, О, Са, N, К, Р, Nа, S, Мg, С1, С, I, Мn, Сu, Со, Fе, Zn, Мо, V. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека.
2. Примесные элементы. Эти элементы постоянно содержатся в организме животных и человека: Gа, Sb, Sr, Вг, F, В, Ве, Li, Si, Sn, Cs, Аl, Ва, Gе, Аs, Rb, Рb, Rа, Bi, Cd, Сг, Ni, Тi, Ag, Th, Нg,U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.
3. Примесные элементы (Sс, Тl, In, Lа, Рг, Sm, W, Rе, Tb и др.). Обнаружены в организме человека и животных. Данные о количестве и биологическая роль не выяснены.
Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов, называют биогенными элементами.
|
|
|
Топография важнейших биогенных элементов в организме человека
Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, т. е. микро- и макроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов накапливается в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основным депо (запасником) для многих микроэлементов.
Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержатся в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, иод — в щитовидной, фтор — в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден — в почках, олово — в тканях кишечника, стронций — в предстательной железе, костной ткани, барий — в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром — в гипофизе и т. д.
В организмах микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что кремний, алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец — в ионном виде.
Водород и кислород — макроэлементы. Они входят в состав воды, которой в организме взрослого человека в среднем содержится около 65%. Вода неравномерно распределена по органам, тканям и биологическим жидкостям человека. Так, в желудочном соке, слюне, плазме крови, лимфе вода составляет от 99,5 до 90 %. В моче, сером веществе головного мозга, почках — 80%, в белом веществе головного мозга, печени, коже, спинном мозге, мышцах, легких, сердце — 70—80 %. Меньше всего — 40 % воды содержится в скелете.
Макроэлементы — углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор — входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Содержание углерода в белках составляет от 51 до 55%, кислорода—от 22 до 24%, азота — от 15 до 18 %, водорода от 6,5 до 7 %, серы — от 0,3 до 2,5%, фосфора—около 0,5%. Максимальное количество белков (80%) содержится в селезенке, легких, мышцах, минимальное (25 %) — в костях и зубах.
Углерод, водород и кислород входят также в состав углеводов, содержание которых в тканях животных невелико — примерно 2%. Эти элементы входят в состав липидов (жиров). Кроме того, в состав фосфолипидов входит фосфор в виде фосфатных групп. В наибольшей степени липиды концентрируются в головном мозге (12%), а затем в печени (5%), молоке (2—3%) и сыворотке крови (0,6%). Однако основное количество фосфора — 600 г — содержится в костной ткани. Это составляет 85 % от массы всего фосфора, находящегося в организме человека. Концентрируется фосфор и в твердых тканях зубов, в состав которых он входит вместе с кальцием, хлором, фтором в виде гидроксил-, хлор-, фторапатитов.
|
|
|
Кальций преимущественно концентрируется в костной ткани, а также и в зубной ткани. Натрий и хлор в основном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний—во внутриклеточных. В виде фторидов натрий и калий входят в состав костной и зубной ткани. Магний в виде фосфата содержится в твердых тканях зуба.
Десять металлов, жизненно необходимых для живого организма, получили название “металлы жизни”. Так, установлено, что в организме человека массой 70 кг содержание “металлов жизни” составляет (в г): кальция—1700, калия—250, натрия — 70, магния — 42, железа — 5, цинка — 3, меди — 0,2, марганца, молибдена и кобальта, вместе взятых, — менее 0,1. В теле взрослого человека содержится около 3 кг минеральных солей, причем 5/6 этого количества (2,5 кг) приходится на долю костных тканей.
Некоторые макроэлементы (магний, кальций) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами — аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т. д.
На изменение содержания химических элементов в организме влияют различные заболевания. Так, при рахите происходит нарушение фосфорно-кальциевого обмена, что приводит к снижению содержания кальция. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена уменьшается содержание кальция, натрия, хлора и повышается содержание магния, калия в организме.
В поддерживании определенного содержания макро- и микроэлементов в организме участвуют гормоны.
|
|
|
