Общая характеристика биогенных элементов.

Все живые существа, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой, т.е. представляют собой открытые термодинамические системы. Необходимым условием их существования является постоянный обмен различными веществами с окружающей средой. Пищевые продукты, питьевая вода и вдыхаемый воздух способствуют нахождению в организме практически всех химических элементов, которые постоянно поступают в ткани и выводятся из них.

В конце XIX – начале ХХ в.в. американский геохимик Ф.У.Кларк систематизировал данные по распространенности химических элементов в различных объектах (горные породы, природная вода, почва, воздух и т.д.). В ознаменование его заслуг российский геохимик А.Е.Ферсман предположил содержание определённого элемента в той или иной выделенной системе (вселенной, земной коре, океане, биомассе, как совокупности всех живых существ, человеческом организме и т.д.) характеризовать с помощью кларков.

Кларк – дольная величина, которая показывает, какая часть выделенной системы, приходится на данный элемент. Различают кларки химических элементов: массовые и атомные. Атомные кларки представляют собой отношение числа атомов данного элемента к общему числу всех атомов, присутствующих в данной системе. Очевидно, что эта величина по своей сущности совпадает с мольной долей и измеряется в долях единицы или в %.

Массовые кларки представляют собой отношение массы атомов данного элемента к общей массе всех атомов, присутствующих в той или иной системе. Они измеряются в долях единицы или в весовых %.

Элементы, необходимые для построения клеток организма и поддержания его жизнедеятельности, называются биогенными или эссенциальными.

По содержанию в живых клетках биогенные элементы подразделяются на макроэлементы (содержание 10^-2 % и выше), микроэлементы (содержание 10^-3 – 10^-5 %) и ультрамикроэлементы (содержание 10^-6 % и ниже) (табл.3).

Хотя классификация по количественному признаку является сравнительно простой, она не даёт ответа на вопрос о биологической роли того или иного элемента.

В связи с этим, в зависимости от выполняемых в организме человека функций, присутствующие в нём химические элементы можно разделить на 4 группы.

 

1. Органогенные элементы. Из их атомов построена основная масса тела человека и животных. К ним относятся: углерод, кислород, водород, азот, фосфор и сера. Данные элементы играют незаменимую роль в образовании белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений. Без них не может быть построена ни одна клетка. В организме человека на долю этих элементов приходится около 99% всех атомов.

2. Жизненно необходимые (биотические) элементы, к которым можно отнести кальций, калий, натрий, хлор, цинк, марганец, молибден, иод, селен, магний, железо, медь, кобальт. Они могут выполнять в организме самые различные функции, среди которых различают: механическую или опорную, осмотическую, регуляторную, биоэлектрическую и т.д.

Механическая или опорная функция данных элементов (Ca, Mg, Na, F, Co и др.) связана с их вхождением в состав скелета, волос, ногтей в виде нерастворимых минеральных компонентов и органических соединений.

Осмотическая функция заключается в поддержании определённой величины осмотического давления в жидкостях организма. Причем осмотическое давление межклеточных жидкостей определяется, главным образом, ионами Ca²⁺, Na⁺, CO₃^2–, HCO₃^–, а внутриклеточных – ионами K⁺, Mg²⁺, Cl^–, CO₃^2–, HCO₃^–.

Элементы Ca, Mg, К, Na, Сl называют иначе элементами электролитного фона.

Регуляторная функция обусловлена способностью ионов металлов взаимодействовать с ферментами и оказывать тем самым влияние на скорость и направление соответствующих биохимических реакций.

Все ферменты, нуждающиеся в координационном взаимодействии с металлами для проявления своей максимальной активности, делятся на 2 группы: металлоферменты и ферменты, активизируемые металлами.

В металлоферментах ионы металлов образуют стабильные координационные комплексы с органическими молекулами, которые тяжело разрушить.

В ферментах, активизируемых металлами, ионы металлов связаны непрочно и могут быть удалены диализом.

В роли регуляторов активности ферментов в организме человека выступают ионы: Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, Cr²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Cо²⁺, Ni²⁺. Катионы, имеющие примерно одинаковые радиусы, электронную конфигурацию и электроотрицательность в ряде случаев могут заменять друг друга.

Биоэлектрическая функция связана с возникновением разности потенциалов между внешней и внутренней стороной клеточной мембраны за счёт различного ионного состава биологических жидкостей, например, неодинакового содержания ионов Na⁺ и K⁺ в них.

Таким образом, критерием эссенциальности или биотичности элемента является наличие в организме хотя бы одной структуры или соединения, включающих его в свой состав. Причём важная физиологическая роль данной структуры или соединения для организма должна быть достоверно установлена. Как известно, все молекулы, находящиеся в организме, рано или поздно разрушаются, взамен им необходимо синтезировать новые. Искусственное устранение из среды обитания одного из эссенциальных элементов приводит к быстрой гибели организма.

3. Вероятно необходимые элементы. Их потребность для организма и физиологическая роль к настоящему времени достоверно не установлены, но их присутствие в нём желательно. Таковыми элементами являются: титан, ванадий, бром, стронций, кремний и др.

4. Элементы с неустановленной ролью. Они обнаруживаются в организме, но их роль и значение для организма не выявлены. Вероятнее всего, они играют роль фона или примесей, т.к. присутствуют в поступающей в организм пище и воде. В зависимости от своих свойств данные элементы могут накапливаться в той или иной части организма или беспрепятственно удаляться из него с мочой и потом.

Вероятно, необходимые элементы по мере усовершенствования методов исследования и накопления знаний о функциональной роли тех или иных структур человеческого организма могут переходить в разряд жизненно необходимых элементов. Наличие условно-эссенциальных элементов тем самым отражает динамический характер развития научных знаний.

Как уже отмечалось ранее, жизнь всех организмов неразрывно связана с окружающей средой. Изменение концентрации микроэлемента в среде обитания может существенно влиять на функциональное состояние организма, вызывая появление патологических явлений, так называемых, микроэлементозов.

Состав земной поверхности неоднородный. В ней имеются области с повышенным или пониженным содержанием определённых химических элементов. Такие местности получили называние биогеохимических провинций. Обитающие в них живые организмы, в том числе и человек, будут давать определённую биологическую реакцию на недостаточность или избыточность соответствующих жизненно важных элементов, которая привёдет к возникновению эндемических (endemos – местность) заболеваний.

Исследование биогеохимических провинций позволяет научно применять минеральные добавки в пищевые продукты, разрабатывать профилактические и лечебные мероприятия против эндемических болезней.

В последнее время опасность развития эндемических микроэлементозов уменьшается в связи с процессами глобализации, что приводит к использованию в любой местности продуктов питания, произведённых не только в ней, но и в самых различных регионах земного шара.

Только в слаборазвитых странах Африки и в некоторых регионах Юго-Восточной Азии, где продукты питания имеют исключительно местное происхождение, за исключением гуманитарной помощи, вероятность возникновения эндемических заболеваний остаётся достаточно высокой.

Следует отметить, что практически все эссенциальные и условно-эссенциальные микроэлементы в количествах, превышающих потребности организма, оказывают токсическое воздействие. Многие примесные элементы четвёртой группы становятся также опасными даже при незначительном увеличении их поступления в организм с пищей и водой. Это может происходить в результате активной хозяйственной деятельности человека, приводящей к увеличению содержания того или иного элемента в почве либо воде данной местности. В связи с эти необходим постоянный и неослабный контроль соответствующих организаций за работой промышленных и сельскохозяйственных предприятий.