Ю. Н. Кукушкин, Санкт-Петербургский государственныйтехнологический институт
Дляорганизма человека определенно установлена роль около 30 химических элементов,без которых он не может нормально существовать. Эти элементы называют жизненнонеобходимыми. Кроме них, имеются элементы, которые в малых количествах несказываются на функционировании организма, но при определенном содержанииявляются ядами.
Введение
Многимхимикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетиянемецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовойприсутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова быливстречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того какразрабатывались все более точные методы аналитического определения химическихэлементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.
Еслисогласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то этодолжно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, втом числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизньтребует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химическихэлементов способствуют питание и потребляемая вода. В соответствии срекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневноепоступление химических элементов с пищей должно находиться на определенномуровне (табл. 1). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводитьсяиз организма, поскольку их содержания находятся в относительном постоянстве.
Предположениянекоторых ученых идут дальше. Они считают, что в живом организме не толькоприсутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет определеннуюбиологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится.Однако, по мере того как развиваются исследования в данном направлении,выявляется биологическая роль все большего числа химических элементов.
Организмчеловека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% — на неорганические. Основными компонентами органических веществ являютсяуглерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. Внеорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22химических 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.
Ученыедоговорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, тоего следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет10-3-10-5%. Если содержание элемента ниже 10-5%, его считаютультрамикроэлементом. Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает впромежуточную область между макро- и микроэлементами.
Таблица1. 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 биологическойроли определенных химических элементов в организме человека. В данной статье мыбудем исходить из того, что уже достоверно известно. Роль макроэлементов,входящих в состав неорганических веществ, очевидна. Например, основноеколичество кальция и фосфора входит в кости (гидроксофосфат кальцияCa10(PO4)6(OH)2), а хлор в виде соляной кислоты содержится в желудочном соке.
Микроэлементывошли в отмеченный выше ряд 22 элементов, обязательно присутствующих ворганизме человека. Заметим, что большинство из них — металлы, а из металловбольше половины являются d-элементами. Последние в организме образуюткоординационные соединения со сложными органическими молекулами. Так,установлено, что многие биологические катализаторы — ферменты содержат ионыпереходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав12 различных ферментов, железо — в 70, медь — в 30, а цинк — более чем в 100.Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии илинедостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Характернымпризнаком 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 необходимыхэлементов
Прималом поступлении данного элемента организму наносится существенный ущерб. Онфункционирует на грани выживания. В основном это объясняется снижениемактивности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышениидозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). Придальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данногоэлемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Кривую на рис. 1можно 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 всостав гемоглобина крови, а точнее, его составной части — гема. У взрослогочеловека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности ворганизме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполненияжелеза, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточноепоступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связьанемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII векев некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилокв красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связансидероз глаз и легких — заболевания, вызываемые отложением соединений железа втканях этих органов. Главный регулятор содержания железа в крови — печень.
Недостатокв организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическомуросту костей, дефектам в соединительных тканях. Кроме того, считают, чтодефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаяхпоражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастнымснижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводитк нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человекупричиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди. В малыхдозах их используют в медицине как вяжущее и бактериостазное (задерживающеерост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II)применяют при лечении конъюктивитов в виде глазных капель (25%-ный раствор), атакже для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфатамеди(II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором проводятее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II).
Таблица2. 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
Биологическаяфункция других щелочных металлов в здоровом организме пока неясна. Однакоимеются указания, что введением в организм ионов лития удается лечить одну изформ маниакально-депрессивного психоза. Приведем табл. 2, из которой виднаважная роль других жизненно необходимых элементов.
Примесные элементы
Имеетсябольшое число химических элементов, особенно среди тяжелых, являющихся ядамидля живых организмов, — они оказывают неблагоприятное биологическоевоздействие. В табл. 3 приведены эти элементы в соответствии с Периодическойсистемой Д.И. Менделеева.
Таблица3. 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 –
Заисключением бериллия и бария, эти элементы образуют прочные сульфидныесоединения. Существует мнение, что причина действия ядов связана сблокированием определенных функциональных групп (в частности, сульфгидрильных)протеина или же с вытеснением из некоторых ферментов ионов металлов, напримермеди и цинка. Элементы, представленные в табл. 3, называют примесными. Ихдиаграмма доза — эффект имеет другую форму по сравнению с жизненно необходимыми(рис. 2).
/>
Рис.2. Зависимость ответной реакции (R) от дозы (n) для примесных химическихэлементов До определенного содержания этих элементов организм не испытываетвредного воздействия, но при значительном увеличении концентрации онистановятся ядовитыми.
Встречаютсяэлементы, которые в относительно больших количествах являются ядами, а в низкихконцентрациях оказывают полезное влияние. Например, мышьяк — сильный яд,нарушающий сердечно-сосудистую систему и поражающий почки и печень, в небольшихдозах полезен, и врачи прописывают его для улучшения аппетита. Кислород,необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации (особенно поддавлением) оказывает ядовитое действие.
Изэтих примеров видно, что концентрация элемента в организме играет весьмасущественную, а порой и катастрофическую роль. Среди примесных элементовимеются и такие, которые в малых дозах обладают эффективными лечащимисвойствами. Так, давно было замечено бактерицидное (вызывающее гибель различныхбактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине растворколлоидного серебра (колларгол) применяют для промывания гнойных ран, мочевогопузыря, при хронических циститах и уретитах, а также в виде глазных капель пригнойных конъюктивитах и бленнорее. Карандаши из нитрата серебра применяют дляприжигания бородавок, грануляций. В разбавленных растворах (0,1-0,25%) нитратсеребра используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, атакже в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действиенитрата серебра связано с его взаимодействием с белками тканей, что приводит кобразованию белковых солей серебра — альбуминатов. Серебро пока не относят кжизненно необходимым элементам, однако уже экспериментально установлено егоповышенное содержание в мозгу человека, в железах внутренней секреции, печени.В организм серебро поступает с растительной пищей, например с огурцами икапустой.
Встатье приведена Периодическая система, в которой охарактеризованабиоактивность отдельных элементов [1]. Оценка основана на проявлении симптомовдефицита или избытка определенного элемента. Она учитывает следующие симптомы(в порядке возрастания эффекта): 1 — снижение аппетита; 2 — потребность визменении диеты; 3 — значительные изменения состава тканей; 4 — повышеннаяповреждаемость одной или нескольких биохимических систем, проявляющаяся вспециальных условиях; 5 — недееспособность этих систем в специальных условиях;6 — субклинические признаки недееспособности; 7 — клинические симптомынедееспособности и повышенная повреждаемость; 8 — заторможенный рост; 9 — отсутствие репродуктивной функции. Крайней формой проявления дефицита илиизбытка элемента в организме является смертельный исход. Оценка биоактивностиэлемента сделана по девятибальной шкале в зависимости от характера симптома,для которого выявлена специфичность.
Притакой оценке наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необходимыеэлементы. Например, элементы водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний,фосфор, сера, хлор, калий, кальций, марганец, железо и др. характеризуютсясуммой балов, равной 9.
Заключение
Выявлениебиологической роли отдельных химических элементов в функционировании живыхорганизмов (человека, животных, растений) — важная и увлекательная задача.Минеральные вещества, как и витамины, часто действуют как коферменты прикатализе химических реакций, происходящих все время в организме.
Усилияспециалистов направлены на раскрытие механизмов проявления биоактивностиотдельных элементов на молекулярном уровне (см. статьи Н.А. Улахновича«Комплексы металлов в живых организмах»: Соросовский ОбразовательныйЖурнал. 1997. № 8. С. 27-32; Д.А. Леменовского «Соединения металлов вживой природе»: Там же. № 9. С. 48-53). Нет сомнения, что в живыхорганизмах ионы металлов находятся в основном в виде координационных соединенийс «биологическими» молекулами, которые выполняют роль лигандов. Встатье из-за ограниченности объема приведен материал, относящийся главнымобразом к организму человека. Выяснение роли металлов в жизнедеятельностирастений, несомненно, окажется полезным для сельского хозяйства. Работы в этомнаправлении широко ведутся в лабораториях различных стран.
Весьмаинтересен вопрос о принципах отбора природой химических элементов дляфункционирования живых организмов. Не вызывает сомнения, что ихраспространенность не является решающим фактором. Здоровый организм самспособен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищии воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. Возможностирастений в данном процессе ограничены. Сознательное регулирование человекомсодержания микроэлементов в почве сельскохозяйственных угодий также одна изважных задач, стоящих перед исследователями. Знания, полученные учеными в этомнаправлении, уже оформились в новую отрасль химической науки — бионеорганическую химию. Поэтому уместно напомнить слова выдающегося ученогоXIX века А. Ампера: «Счастливы те, кто развивает науку в годы, когда онане завершена, но когда в ней уже назрел решительный поворот». Эти словамогут быть особенно полезны тем, кто стоит перед выбором профессии.
Список литературы
1.Ершов Ю.А., Плетенева Т.В. Механизмы токсического действия неорганическихсоединений. М.: Медицина, 1989.
2.Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. Л.: Химия, 1991.
3.Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М.: Высш. шк., 1992.
4.Лазарев Н.В. Эволюция фармакологии. Л.: Изд-во Воен.-мед. акад., 1947.
5.Неорганическая биохимия. М.: Мир, 1978. Т. 1, 2 / Под ред. Г. Эйхгорна.
6.Химия окружающей среды / Под ред. Дж.О. Бокриса. М.: Химия, 1982.
7.Яцимирский К.Б. Введение в бионеорганическую химию. Киев: Наук. думка, 1973.
8. Kaim W., Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: InorganicElements in the Chemistry of Life. Chichester: John Wile and Sons,1994. 401 p.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.alhimik.ru/