Биологическая роль р-элементов

Бор. Бор относится к микробиогенным элементам, его массовая доля в организме человека составляет 10'⁵ %. Бор концентрируется главным образом в легких (0,34 мг), щитовидной железе (0,30 мг), селезенке (0,26 мг), печени, мозге (0,22 мг), почках, сердечной мышце (0,21 мг). Биологическое действие бора еще недостаточно изучено. Известно, что бор входит в состав зубов и костей, очевидно, в виде трудно растворимых солей борной кислоты с катионами металлов. Имеются данные, что большой избыток бора угнетает амилазу, протеиназу, уменьшает активность адреналина.

Алюминий. По содержанию в организме человека (10⁵ %) алюминий относится к микробиогенным элементам. Алюминий концентрируется главным образом в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека. Суточное потребление алюминия человеком составляет 47 мг. Алюминий влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костной ткани, обмен фосфора. Алюминий оказывает воздействие на ферментативные процессы. Избыток алюминия в организме тормозит синтез гемоглобина. Имеются данные, что алюминий может катализировать реакции трансаминирования.

Галлий. Галлий является микроэлементом (содержание в организме человека (10⁶ – 10⁵ %). Биологическая роль его в живых организмах почти не выяснена.

Индий. В настоящее время биологическое действие индия неизвестно. Не имеется достоверных сведений о его наличии в живых организмах. Учитывая близость атомного строения и физико-химических свойств индия и галлия, можно прогнозировать сходство их биологического действия. Очевидно, индий, как и алюминий, попадая в организм, должен накапливаться в костной и других тканях в виде малорастворимого фосфата.

Углерод. По содержанию в организме человека углерод относится к макробиогенным элементам. Входит в состав всех тканей и клеток в составе молекул белков, жиров, витаминов, гормонов. С биологической точки зрения углерод является органогеном номер 1.

Кремний. По содержанию в организме человека (10 %) кремний относится к микробиогенным элементам. Больше всего кремния в печени, надпочечниках, волосах, хрусталике. Так как природный диоксид кремния плохо растворим в воде, то в организм человека он попадает не столько через пищеварительный тракт, сколько воздушным путем через легкие в виде пылеобразного SiO₂. С нарушением обмена кремния связывают возникновение гипертонии, ревматизма, язвенной болезни, анемии, заболеваний дыхательной системы. Было установлено, что кремний содержится в коже, хрящах, связках млекопитающих и входит в состав мукополисахаридов, где прочно связан

эфирными связями, возникающими при взаимодействии ортокремниевой кислоты с гидроксильными группами углеводов.

В медицинской практике применяют кремний (IV) карбид SiC —карборунд для шлифовки пломб и пластмассовых протезов. Кремний диоксид SiO2 входит в состав силикатных цементов.Необходимо отметить, что пыль, состоящая из частиц угля, кремния диоксида SiO₂, алюминия, при систематическом воздействии на легкие вызывает заболевание — пневмокониозы. При действии угольной пыли — это антракоз— профессиональное заболевание шахтеров. При вдыхании пыли, содержащей

SiO2, возникает силикоз, при действии алюминиевой пыли — алюминоз. Механизм развития пневмокониозов во многом неясен. Предполагается, что при длительном контакте силикатных песчинок с биологическими жидкостями

образуется гелеобразная поликремниевая кислота, отложение которой в клетках ведет к их гибели.

Олово. По содержанию в организме человека (10 "⁴ %) олово относится к микроэлементам. Сведения о биологической роли

противоречивы.Олово попадает в организм человека с кислыми продуктами, консервированными в жестяных банках, покрытых слоем олова. В кислой среде олово растворяется и в форме соли поступает в кровь, проявляя токсическое

действие. Однако в опытах на крысах установлено, что олово в малых количествах стимулирующе действует на рост крыс. Это дает основание предполагать его необходимость и для человека. Безусловно, выяснение биологической роли этого микроэлемента требует дополнительного изучения. В медицинской практике находят применение различные материалы, в частности пломбировочные, содержащие олово. Так, олово входит в состав серебряной амальгамы (28 %) для изготовления пломб. Применение олова фторида как средства против кариеса зубов.

Свинец. Свинец и его соединения, особенно органические, весьма токсичны. Соединения свинца влияют на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Многие факторы говорят в пользу денатурационного механизма. Установлено, что свинец — один из элементов, присутствие которых в продуктах питания влияет на развитие кариеса. Существуют многочисленные доказательства постепенного накопления свинца в растениях и тканях животных и человека в результате повседневного загрязнения окружающей среды свинцом. С пищей, водой, атмосферным воздухом человек ежесуточно поглощает до 100 мкг свинца. Свинец депонируется в основном в скелете (до 90 %) в форме труднорастворимого фосфата. Массовая доля свинца в организме человека 10~⁶ %, Безопасным для человека считают суточное поступление 0,2—2 мг свинца. В медицинской практике нашли применение как наружные вяжущие антисептические средства: свинец ацетат РЬ(СН ₃СОО) ₂ * ЗН ₂О (примочки) и свинец (II) оксид РЬО (входит в состав пластыря свинцового простого).

Азот по содержанию в организме человека (3,1 %) относится к макроэлементам. Если учитывать только массу сухого вещества организмов (без воды), то в клетках содержание азота составляет 8—10%. Этот элемент — составная часть аминокислот, белков, витаминов, гормонов. Азот образует полярные связи с атомами водорода и углерода в биомолекулах. Во многих бионеорганических комплексах — металлоферментах атомы азота по донорно-акцепторному механизму связывают неорганическую и органическую части молекулы.

Вместе с кислородом и углеродом азот образует жизненно важные соединения — аминокислоты, содержащие одновременно

аминогруппу —NH₂ с основными свойствами и карбоксильную группу (— СООН) с кислотными свойствами. Аминогруппа выполняет очень важную функцию и в молекулах нуклеиновых кислот. Огромно физиологическое значение азотсодержащих биолигандов — порфиринов, например гемоглобина. Почти все животные должны получать хотя бы часть необходимого им азота в виде аминокислот, так как их организмы не способны синтезировать все аминокислоты из более простых предшественников. Растения могут использовать в качестве источника азота растворимые нитраты. Только немногие организмы способны усваивать элементный газообразный азот.

В биосфере происходит круговорот азота. Азотный цикл имеет жизненно важное значение для сельского хозяйства.

Необходимо отметить еще одно важное в биологическом плане свойство азота — его растворимость в воде почти такая же, как у кислорода. Присутствие избытка азота в крови может быть причиной развития кессонной болезни. При быстром подъеме водолазов происходит резкое падение давления — соответ­ственно падает растворимость азота в крови (закон Генри) и пузырьки элементного азота, выходящие из крови, закупоривают мелкие сосуды, что

может привести к параличу и смерти.

Фосфор. По содержанию в организме человека (0,95%) фосфор относится к макробиогенкым элементам. Фосфор - элемент органогенный и играет исключительно важную роль в обмене веществ. В форме фосфата фосфор представляет собой необходимый компонент внутриклеточной АТФ. Он входит в состав белков (0,5-0,6%),

нуклеиновых кислот, нуклеотидов и других биологически активных соединений. Фосфор является основой скелета животных и человека (кальций ортофосфат, гидроксиапатит), зубов (гидроксиапатит, фторапатит). Многие реакции биосинтеза осуществляются благодаря переносу фосфатных групп от высокоэнергетического акцептора к низкоэнергетическому. Фосфатная буферная система является одной из основных буферных систем крови. Живые организмы не могут обходиться без фосфора. Значение фосфора состоит и в том, что сахара и жирные кислоты не могут быть использованы клетками в качестве источников энергии без предварительного фосфорилирования. Обмен фосфора в организме тесно связан с обменом кальция. Это подтверждается уменьшением количества неорганического фосфора при увеличении содержания кальция в крови (антагонизм). Суточная потребность человека в фосфоре составляет 1,3 г. Фосфор настолько распространен в пищевых продуктах, что случаи его явной недостаточности (фосфатный голод) практически неизвестны. Однако далеко не весь фосфор, содержащийся в пищевых продуктах, может всасываться, поскольку его всасывание зависит от многих факторов: рН, соотношения между содержанием кальция и фосфора в пище, наличия в пище жирных кислот, но в первую очередь, от содержания витамина D.

Мышьяк. По содержанию в организме человека (1 х 10⁶ %) мышьяк относится к микроэлементам. Он концентрируется в печени, почках, селезенке, легких, костях, волосах. Больше всего мышьяк содержится в мозговой ткани и в мышцах. Мышьяк накапливается в костях и волосах и в течение нескольких лет не выводится из них полностью. В относительно больших дозах соединения мышьяка очень ядовиты. Токсическое действие соединений мышьяка обусловлено блокированием сульфгидрильных групп ферментов и других биологически активных веществ.

Сурьма и висмут. По содержанию в организме человека (10'⁶%) сурьма и висмут относятся к микроэлементам. Сурьма и висмут постоянно находятся в живых организмах, однако их физиологическая и биохимическая роль практически не выяснена. Физиологическая роль сурьмы, очевидно, подобна мышьяку. Ионы мышьяка и сурьмы и в меньшей степени висмута являются синергистами. Так, известно, что в биогеохимических провинциях с избытком мышьяка в организмах увеличивается содержание не только мышьяка, но и сурьмы. При этом оба элемента накапливаются в щитовидной железе жителей, угнетают ее функцию и вызывают эндемический зоб. Синергизм мышьяка и сурьмы связан с их способностью к образованию соединений с серосодержащими лигандами. Висмут же более склонен связываться с лигандами, содержа­щими аминогруппы. Так, попадание растворимых соединений висмута в организм приводит к угнетению ферментов амино- и карбоксиполипептидазы.

Кислород. По содержанию в организме человека (мас. доля 62%) кислород относится к макроэлементам. Он незаменим и принадлежит к числу важнейших элементов, составляющих основу живых систем, х. е. является органогеном. Кислород входит в состав огромного числа молекул, начиная от простейших и кончая биополимерами. Исключительно велика роль кислорода в процессах жизнедеятельности, так как окисление кислородом питательных веществ - углеводов, белков, жиров - служит источником энергии, необходимой для работы органов и тканей живых организмов. Большинство окислительно-восстановительных реакций в организме протекает при участии кислорода и его активных форм. Фагоцитарные (защитные) функции организма также связаны с наличием кислорода, и уменьшение содержания кислорода в организме понижает его защитные свойства. При недостатке кислорода эти процессы замедляются, и в результате сопротивляемость организма к инфекциям снижается.

Сера. По содержанию в организме человека (мае. доля 0,16%) сера относится к макробиогенным элементам. Как и кислород, она жизненно необходима. Суточная потребность взрослого человека в сере около 4-5 г. Сера входит в состав многих биомолекул - белков, аминокислот (цистина, цистеина, метионина), гормонов (инсулина), витаминов (витамин В.,). Много серы содержится в каротине волос, костях, нервной ткани. В живых организмах сера, входящая в состав аминокислот, окисляется. Конечными продуктами этого процесса преимущественно являются сульфаты. Кроме того, образуются тиосульфаты, элементная сера, политиоловые кислоты. Образующаяся в организме эндогенная серная кислота участвует в обезвреживании ядовитых соединений -фенола, крезола, индола, вырабатываемых в кишечнике из аминокислот микробами. Кроме того, серная кислота связывает многие чужеродные для организма соединения (ксенобиотики) - лекарственные препараты и их метаболиты. Со всеми этими соединениями серная кислота образует относительно безвредные вещества -конъюгаты, в виде которых они и выводятся из организма.

Селен. По содержанию в организме (мас. доля 10⁵-10⁷%) селен относится к микробиогенным элементам. Селен поступает с пищей -55-110 мг в год. Селен в основном концентрируется в печени и почках. Концентрация селена в крови составляет 0,001-0,004 ммоль/л. Несомненна связь селена с серой в живых организмах. При больших Дозах селен в первую очередь накапливается в ногтях и волосах, основу которых составляют серосодержащие аминокислоты. Очевидно, селен, как аналог серы, замещает ее в различных соединениях.

Установлено, что недостаток селена ведет к уменьшению концентрации фермента глутатионпероксидазы, что, в свою очередь, приводит к окислению липидов и серосодержащих аминокислот. Проведенные в последние годы исследования показали, что селен в комплексе с какой-либо кислотой входит в состав активных центров нескольких ферментов: формиатдегидрогеназы, глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы. Этот фермент вместе с глутатионом защищает клетки от разрушающего действия органических пероксидов и водородпероксида. Хорошо известна и способность селена предохранять организм от отравления ртутью Hg и кадмием Cd. Оказалось, что селен способствует связыванию этих токсичных металлов с другими активными центрами - с теми, на которые их токсическое действие не влияет. В больших дозах селен токсичен.

Теллур и полоний. Теллур обнаружен в живых организмах, однако норма его содержания в тканях и органах не установлена.

Фтор. Масса фтора в организме человека составляет около 7 мг (10 ⁵%). Соединения фтора концентрируются в костной ткани, ногтях, зубах. В состав зубов входит около 0,01% фтора, причем большая часть приходится на эмаль, что связано с присутствием в ней труднорастворимого фторапатита. Недостаток фтора в организме приводит к кариесу. Обогащение питьевой воды фтором, т. е. фторирование воды с целью доведения содержания в ней фтора до нормы (1 мг/л), способствует значительному снижению заболеваемости кариесом. Вреден не только недостаток, но и избыток фтора. При содержании фтора в питьевой воде выше предельно допустимой нормы (1,2 мг/л) зубная эмаль становится хрупкой, легко разрушается и появляются другие симптомы хронического отравления фтором - повышение хрупкости костей, костные деформации и общее истощение организма. Возникающее в этом случае заболевание называется флуорозом (фторозом).

Хлор. В организме человека содержится примерно ЮОг (2790ммоль) хлора (мае. доля 0,15%). Хлорид-ионы играют важную биологическую роль. Они активируют некоторые ферменты, создают благоприятную среду для действия протеолитических ферментов желудочного сока, обеспечивают ионные потоки через клеточные мембраны, участвуют в поддержании осмотического равновесия. Совместно с ионами натрия и калия хлор участвует в создании определенного осмотического давления и регуляции водно - солевого обмена. Суточная потребность натрия хлорида составляет 5-10 г. Как уже рассматривалось, NaCI необходим для выработки соляной кислоты в желудке. Помимо важной роли соляной кислоты в процессе пищеварения, она уничтожает различные болезнетворные бактерии. Жизненно необходимые хлорид-ионы не обладают токсическим действием, в то время как элементный хлор - высоко токсичный газ. Предельно допустимая концентрация газообразного хлора в воздухе 0, 001 мг/л.

Бром. Масса брома в организме человека составляет около 7 мг (10 %). Он локализуется преимущественно в железах внутренней секреции, в первую очередь в гипофизе. Биологическая роль соединений брома в нормальной жизнедеятельности организма еще недостаточно выяснена. Имеются данные, что соединения брома угнетают функцию щитовидной железы и усиливают активность коры надпочечников. При введении в организм бромид - ионов наиболее чувствительной оказывается центральная нервная система. Бромид - ионы равномерно накапливаются в различных отделах мозга и действуют успокаивающе при повышенной возбудимости. Бромид - ионы могут замещать ионы С1" и Г в организме. Примером этого является замещение йода бромом при избытке брома в организме в гормонах щитовидной железы, что приводит к гипертиреоидизму. В связи с тем, что в организме существует определенная динамическая связь между содержанием в нем бромид - и хлорид - ионов, повышенная концентрация бромид - ионов в крови нарушает равновесие и способствует быстрому выделению почками хлорид - ионов и наоборот. Бромид - ионы легко всасываются в желудочно-кишечном тракте. Токсичность бромид - ионов невысока. Однако вследствие медленного выведения из организма - в течение 30-60 суток - они могут накапливаться (кумулировать), что приводит к развитию хронического отравления (бромизма).

Иод. Иод относится к числу незаменимых биогенных элементов, и его соединения играют важную роль в процессах обмена веществ. В организме человека содержится около 25 мг (4-10"⁵ %) йода. Из общего количества йода в организме больше половины находится в щитовидной железе. Почти весь йод, содержащийся в этой железе, находится в связанном состоянии - в виде гормонов - и только около 1 % его находится в виде йодид - иона. Щитовидная железа способна концентрировать ион йода в 25 раз больше по сравнению с содержанием его в плазме. Щитовидная железа секретирует гормоны тироксин и трийодтиронин. Пониженная активность щитовидной железы (гипотиреоз) может быть связана с уменьшением ее способности накапливать йодид -ионы, а также с недостатком в пище йода (эндемический зоб).