ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ (КУКУШКІН Ю. Н., 1998), ХІМІЯ
Для організму людини безперечно встановлено роль близько 30 хімічних елементів, без яких він не може нормально існувати. Ці елементи називають життєво важливими. Крім них, є елементи, які в малих кількостях не позначаються на функціонуванні організму, але за певного змісту є отрутою.
ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
Санкт-Петербурзький державний технологічний інститут
Багатьом хімікам відомі крилаті слова, сказані в 40-х роках поточного століття німецькими вченими Вальтером та Ідою Ноддак, що в кожному бруківці на бруківці присутні всі елементи Періодичної системи. Спочатку ці слова зустріли далеко не з одностайним схваленням. Однак, у міру того, як розроблялися дедалі точніші методи аналітичного визначення хімічних елементів, вчені все більше переконувалися у справедливості цих слів.
Якщо погодитися з тим, що в кожному камені містяться всі елементи, то це має бути справедливим і для живого організму. Усі живі організми Землі, зокрема і людина, перебувають у тісному контакту з довкіллям. Життя потребує постійного обміну речовин в організмі. Надходженню в організм хімічних елементів сприяють харчування та споживана вода. Відповідно до рекомендації дієтологічної комісії Національної академії США щоденне надходження хімічних елементів з їжею має перебувати на певному рівні (табл. 1). Стільки ж хімічних елементів має щодобово виводитися з організму, оскільки їх вміст знаходиться у відносній сталості.
Припущення деяких учених ідуть далі. Вони вважають, що в живому організмі не тільки присутні всіхімічні елементи, але кожен із них виконує певну біологічну функцію. Цілком можливо, що ця гіпотеза не підтвердиться. Однак, у міру того, як розвиваються дослідження в даному напрямку, виявляється біологічна роль все більшої кількості хімічних елементів.
Організм людини складається на 60% із води, 34% припадає на органічні речовини та 6% - на неорганічні. Основними компонентами органічних речовин є вуглець, водень, кисень, до їх складу входять також азот, фосфор та сірка. У неорганічних речовинах організму людини обов'язково присутні 22 хімічні елементи: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I , F, Se. Наприклад, якщо вага людини становить 70 кг, то в ньому міститься (у грамах): кальцію – 1700, калію – 250, натрію – 70, магнію – 42, заліза – 5, цинку – 3.
Таблиця 1. Добове надходження хімічних елементів у організм людини
Добове надходження, мг
Близько 0,2 (вітамін В12)
ЖИТТЯВО НЕОБХІДНІ ЕЛЕМЕНТИ
Безперечно, час внесе корективи в сучасні уявлення про кількість і біологічну роль певних хімічних елементів в організмі людини. У цій статті ми виходитимемо з того, що вже достовірно відомо. Роль макроелементів, що входять до складу неорганічних речовин, є очевидною. Наприклад, основна кількість кальцію та фосфору входить у кістки (гідроксофосфат кальцію Ca10(PO4)6(OH)2), а хлор у вигляді соляної кислоти міститься у шлунковому соку.
Мікроелементи увійшли до зазначеного вище ряду 22 елементів, які обов'язково присутні в організмі людини. Зауважимо, більшість з них - метали, та якщо з металів більше половини єd-елементами. Останні в організмі утворюють координаційні сполуки зі складнимиорганічні молекули. Так, встановлено, що багато біологічних каталізаторів - ферментів містять іони перехідних металів (d-елементів). Наприклад, відомо, що марганець входить до складу 12 різних ферментів, залізо – у 70, мідь – у 30, а цинк – більш ніж у 100. Мікроелементи називають життєво необхідними, якщо за їх відсутності чи нестачі порушується нормальна життєдіяльність організму. Характерною ознакою необхідного елемента є дзвоноподібний вид кривої доза (n) - реакція у відповідь (R, ефект) (рис. 1).
При малому надходженні даного елемента організму завдається суттєвої шкоди. Він функціонує на межі виживання. В основному це пояснюється зниженням активності ферментів, до складу яких входить цей елемент. При підвищенні дози елемента реакція у відповідь зростає і досягає норми (плато). При подальшому збільшенні дози проявляється токсична дія надлишку даного елемента, внаслідок чого не виключається і смерть. Криву на рис. 1 можна трактувати так: все має бути в міру і дуже мало і дуже шкідливо. Наприклад, недолік в організмі заліза призводить до анемії, оскільки воно входить до складу гемоглобіну крові, а точніше, його складової частини – гема. У дорослої людини у крові міститься близько 2,6 г заліза. У процесі життєдіяльності організмі відбуваються постійний розпад і синтез гемоглобіну. Для заповнення заліза, втраченого з розпадом гемоглобіну, людині необхідне добове надходження в організм із їжею в середньому близько 12 мг цього елемента. Зв'язок анемії з нестачею заліза був відомий лікарям давно, тому що ще в XVII столітті в деяких європейських країнах при недокрів'їпрописували настій залізної тирси в червоному вині. Однак надлишок заліза в організмі також шкідливий. З ним пов'язаний сидероз очей та легень – захворювання, що викликаються відкладенням сполук заліза у тканинах цих органів. Головний регулятор вмісту заліза в крові – печінка.
Недолік в організмі міді призводить до деструкції кровоносних судин, патологічного зростання кісток, дефектів у сполучних тканинах. Крім того, вважають, що дефіцит міді є однією з причин ракових захворювань. У деяких випадках ураження легенів у людей похилого віку лікарі пов'язують із віковим зниженням вмісту міді в організмі. Однак надлишок міді в організмі призводить до порушення психіки та паралічу деяких органів (хвороба Вільсона). Людині завдають шкоди лише відносно велика кількість сполук міді. У малих дозах їх використовують у медицині як в'язкий та бактеріостазний (що затримує ріст та розмноження бактерій) засіб. Так, наприклад, сульфат міді (II) застосовують при лікуванні кон'юктивітів у вигляді очних крапель (25%-ний розчин), а також для припікань при трахомі у вигляді очних олівців (сплав сульфату міді(II), нітрату калію, галунів і камфори) . При опіках шкіри фосфором проводять її рясне змочування 5%-ним розчином сульфату міді (II).
Таблиця 2. Характерні симптоми дефіциту хімічних елементів у людини
Уповільнення зростання скелета
Анемія, порушення імунної системи
Пошкодження шкіри, уповільнення росту, уповільнення статевого дозрівання
Слабкість артерій, порушення діяльності печінки, вторинна анемія
Безпліддя, погіршення росту скелета
Уповільнення росту клітин, схильність до карієсу
Почастішання депресій, дерматити
Порушення зростання скелета
Порушення роботи щитовидної залози,уповільнення метаболізму
М'язова (зокрема, серцева) слабкість
Біологічна функція інших лужних металів у здоровому організмі поки що неясна. Однак є вказівки, що введенням в організм іонів літію вдається лікувати одну із форм маніакально-депресивного психозу. Наведемо табл. 2, з якої видно важливу роль інших життєво необхідних елементів.
Є велика кількість хімічних елементів, особливо серед важких, які є отрутами для живих організмів, - вони надають несприятливий біологічний вплив. У табл. 3 наведено ці елементи відповідно до Періодичної системи Д.І. Менделєєва.
За винятком берилію та барію, ці елементи утворюють міцні сульфідні сполуки. Існує думка, що причина дії отрут пов'язана з блокуванням певних функціональних груп (зокрема, сульфгідрильних) протеїну або з витісненням з деяких ферментів іонів металів, наприклад міді та цинку. Елементи, подані у табл. 3, називають домішковими. Їх діаграма доза – ефект має іншу форму порівняно з життєво необхідними (рис. 2).
Зустрічаються елементи, які щодо великих кількостях є отрутами, а низьких концентраціях надають корисний вплив. Наприклад, миш'як - сильна отрута, що порушує серцево-судинну систему і вражає нирки та печінку, у невеликих дозах корисна, і лікарі прописують її для поліпшення апетиту. Кисень, необхідний людині для дихання, у високій концентрації (особливо під тиском) надаєотруйна дія.
У статті наведено Періодичну систему, в якій охарактеризовано біоактивність окремих елементів [1]. Оцінка полягає в прояві симптомів дефіциту чи надлишку певного елемента. Вона враховує такі симптоми (у порядку зростання ефекту): 1 – зниження апетиту; 2 - потреба у зміні дієти; 3 – значні зміни складу тканин; 4 - підвищена ушкоджуваність однієї або кількох біохімічних систем, що виявляється у спеціальних умовах; 5 - недієздатність цих систем у спеціальних умовах; 6 – субклінічні ознаки недієздатності; 7 - клінічні симптоми недієздатності та підвищена ушкоджуваність; 8 - загальмоване зростання; 9 – відсутність репродуктивної функції. Крайньою формою прояву дефіциту чи надлишку елемента у організмі є смертельний результат. Оцінка біоактивності елемента зроблена за дев'ятибальною шкалою залежно від характеру симптому, для якого виявлено специфічність.
За такої оцінки найвищим балом характеризуються життєво необхідні елементи. Наприклад, елементи водень, вуглець, азот, кисень, натрій, магній, фосфор, сірка, хлор, калій, кальцій, марганець, залізо та ін характеризуються сумою балів, що дорівнює 9.
Виявлення біологічної ролі окремих хімічних елементів у функціонуванні живих організмів (людини, тварин, рослин) – важливе та захоплююче завдання. Мінеральні речовини, як і вітаміни, часто діють як коферменти при каталізі хімічних реакцій, що відбуваються постійно в організмі.
Зусилля фахівців спрямовані на розкриття механізмів прояву біоактивності окремих елементів на молекулярному рівні (див. статті Н.А. Улахновича "Комплекси металів у живих організмах": Соросовський Освітній Журнал. 1997. № 8. С. 27-32; Д.А.Леменовського "Сполуки металів у живій природі": Там же. № 9. С. 48-53). Немає сумніву, що у живих організмах іони металів перебувають у основному вигляді координаційних сполук із " біологічними " молекулами, які виконують роль лігандів. У статті через обмеженість об'єму наведено матеріал, що належить головним чином організму людини. З'ясування ролі металів у життєдіяльності рослин, безперечно, виявиться корисним для сільського господарства. Роботи у цьому напрямі широко ведуться у лабораторіях різних країн.
1. Єршов Ю.А., Плетєнєва Т.В. Механізми токсичної дії неорганічних сполук. М: Медицина, 1989.
2. Кукушкін Ю.М. З'єднання вищого ладу. Л.: Хімія, 1991.
3. Кукушкін Ю.М. Хімія довкола нас. М: Вища. шк., 1992.
4. Лазарєв Н.В. Еволюція фармакології Л.: Вид-во Воєн.-мед. акад., 1947.
5. Неорганічна біохімія. М.: Світ, 1978. Т. 1, 2/За ред. Г. Ейхгорна.
6. Хімія навколишнього середовища/За ред. Дж.О. Бокріса. М: Хімія, 1982.
7. Яцимирський К.Б. Введення у біонеорганічну хімію. Київ: Наук. думка, 1973.
8. Kaim W., Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic Elements в Chemistry of Life. Chichester: John Wile and Sons, 1994. 401 p.