Статьи Биохимия
|
|
|
|
Макро- и микроэлементы в организме человека
Существую различные классификации химических элементов, содержащихся в организме человека. Так В.И. Вернадский в зависимости от среднего содержания (массовой доли ω, %) в живых организмах делил элементы по декадной системе.Соответственно этой классификации элементы, содержащиеся в живых организмах, делятся на три группы:
•Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10 х(-2) %. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор.
•Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10 х(-3) до 10 х(-5) %. К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт.
•Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10 х(-5) %. К ним относятся ртуть, золото, уран, торий, радий и др.
В настоящее время в литературе ультрамикроэлементы объединены с микроэлементами в одну группу.
Уточненные данные содержания химических элементов в организме человека:
•массовая доля (ω) 10 и более % - O (62%), C (21%), H (10%);
•массовая доля (ω) 1 - 10 % - N (3%), Ca (2%), p (1%);
•массовая доля (ω) 0,01 - 1 % - K (0,23%), S (0,16%), Cl (0,1%), Na (0,08%), Mg (0,027%), Fe (0,01%);
•массовая доля (ω) 10x(-3) – 10x(-2) % - Zn, Sr;
•массовая доля (ω) 10x(-4) – 10x(-3) % - Cu, Co, Br, Cs, Si;
•массовая доля (ω) 10x(-5) – 10x(-3) % - I;
•массовая доля (ω) 10x(-5) – 10x(-4) % - Mn, V, B, Cr, Al, Ba;
•массовая доля (ω) 10x(-6) – 10x(-3) % - Mo, Pb, Ti;
•массовая доля (ω) 10x(-7) – 10x(-4) % - Be, Ag;
•массовая доля (ω) 10x(-6) – 10x(-5) % - Ni, Ga, Ge, As, Hg, Bi ;
•массовая доля (ω) 10x(-7) – 10x(-5) % - Se, Sb, U;
•массовая доля (ω) 10x(-7) – 10x(-6) % - Th;
•массовая доля (ω) 10x(-12) – 10x(-4) % - Ru.
Однако в этой классификации отражено только содержание элементов в живых организмах, но не указывается биологическая роль и физиологическое значение того или иного элемента.
В.В. Ковальский, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил химические элементы на 3 группы:
•Жизненно необходимые (незаменимые) элементы. Они постоянно содержаться в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов: H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека.
•Примесные элементы. Эти элементы постоянно содержаться в организме животных и человека: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.
•Примесные элементы (Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, 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.
Точно перечислить все биогенные элементы еще невозможно из-за сложности определения очень низких концентраций микроэлементов и установления их биологических функций. Для 24 элементов биогенность установлена надежно. Это элементы 1-й и некоторые элементы 2-ой групп по Ковальскому.
Топография важнейших биогенных элементов в организме человека
Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, то есть 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.
Микроэлементы могут проявлять специфическое родство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод – 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 пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром – в гипофизе и т.д.
В организме 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.
Кислород и водород – 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 90 до 99,5%. 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%.
О содержании белков в различных тканях и органах животных и человека, а следовательно и о примерном содержании элементов С, Н, N, S, P можно судить на основании следующих данных:
•массовая доля белка (%) в селезенке – 84;
•массовая доля белка (%) в легких – 82;
•массовая доля белка (%) в мышцах – 80;
•массовая доля белка (%) в почках – 72;
•массовая доля белка (%) в сердце – 60;
•массовая доля белка (%) в печени – 57;
•массовая доля белка (%) в головном мозге – 45;
•массовая доля белка (%) в кишечнике – 63;
•массовая доля белка (%) в коже – 63;
•массовая доля белка (%) в костях – 28;
•массовая доля белка (%) в зубах – 24.
Как следует из этих данных, максимальное количество белков (примерно 80%) содержится в селезенке, легких, мышцах, минимальное (примерно 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 общей формулы Ca5(PO4)3X, где Х = ОН, Cl, F соответственно.
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 – аво внутриклеточных. В виде фторидов натрий и калий входят в состав костной и зубной ткани. Магний в виде фосфата Mg3(PO4)2 содержится в твердых тканях зуба.
!!! Десять металлов, жизненно необходимых для 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 костной ткани.
Некоторые макроэлементы (магний, кальций) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами – аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т.д. Так, ион Fe2+ в качестве комплексообразователя входит состав гемоглобина, Co2+ - в витамин В12, Mg2+ - в хлорофилл. Известны многочисленные биокомплексы и других элементов (Cu, Zn, Mo и др.), играющие важную биологическую роль в организме.
На изменение содержания в организме химических элементов влияют различные заболевания. Так, при рахите происходит нарушение фосорно-кальциевого обмена, что приводит к снижению содержания кальция в костной ткани. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена уменьшается содержание кальция, натрия, хлора и повышается содержание магния, калия в организме. В поддержании определенного содержания макро- и микроэлементов в организме участвуют гормоны.