Биологична роля химични елементив живите организми

1. Макро и микроелементи в околната среда и човешкото тяло

Биологичната роля на химичните елементи в човешкото тяло е изключително разнообразна.

Основната функция на макронутриентите е да изграждат тъкани, да поддържат постоянно осмотично налягане, йонен и киселинно-алкален състав.

Микроелементите, които са част от ензими, хормони, витамини, биологично активни вещества като комплексообразуващи агенти или активатори, участват в метаболизма, репродуктивните процеси, тъканното дишане и неутрализирането на токсични вещества. Микроелементите активно влияят върху процесите на хематопоеза, окисляване - възстановяване, пропускливост на кръвоносните съдове и тъкани. Макро- и микроелементите – калций, фосфор, флуор, йод, алуминий, силиций определят образуването на костна и зъбна тъкан.

Има доказателства, че съдържанието на някои елементи в човешкото тяло се променя с възрастта. Така че съдържанието на кадмий в бъбреците и молибден в черния дроб се увеличава с напредване на възрастта. Максималното съдържание на цинк се наблюдава по време на пубертета, след това намалява и в напреднала възраст достига минимум. Съдържанието на други микроелементи, като ванадий и хром, също намалява с възрастта.

Идентифицирани са много заболявания, свързани с дефицит или прекомерно натрупване на различни микроелементи. Дефицитът на флуор причинява зъбен кариес, йодният дефицит – ендемична гуша, излишъкът на молибден – ендемична подагра. Такива закономерности са свързани с факта, че в човешкото тяло се поддържа балансът на оптималните концентрации на биогенни елементи - химическа хомеостаза. Нарушаването на този баланс поради липса или излишък на елемента може да доведе до различни заболявания.

В допълнение към шестте основни макроелемента - органогени - въглерод, водород, азот, кислород, сяра и фосфор, които изграждат въглехидратите, мазнините, протеините и нуклеиновите киселини, за нормалното хранене на хората и животните са необходими "неорганични" макроелементи - калций, хлор , магнезий, калий, натрий - и микроелементи - мед, флуор, йод, желязо, молибден, цинк, а също така, евентуално (доказано за животни), селен, арсен, хром, никел, силиций, калай, ванадий.

Липсата на елементи като желязо, мед, флуор, цинк, йод, калций, фосфор, магнезий и някои други в храната води до сериозни последициза човешкото здраве.

Трябва обаче да се помни, че не само дефицитът, но и излишъкът от биогенни елементи е вреден за организма, тъй като това нарушава химическата хомеостаза. Например, с приема на излишен манган с храната, нивото на медта в плазмата се повишава (синергизъм на Mn и Cu), а в бъбреците намалява (антагонизъм). Увеличаването на съдържанието на молибден в храната води до увеличаване на количеството мед в черния дроб. Излишъкът от цинк в храната причинява инхибиране на активността на съдържащите желязо ензими (антагонизъм на Zn и Fe).

Минералните компоненти, които са жизненоважни в незначителни количества, стават токсични при по-високи концентрации.

Редица елементи (сребро, живак, олово, кадмий и др.) се считат за токсични, тъй като навлизането им в организма вече в следи води до тежки патологични явления. химичен механизъмТоксичните ефекти на някои микроелементи ще бъдат обсъдени по-долу.

Биогенните елементи се използват широко в селско стопанство. Добавянето на малки количества микроелементи - бор, мед, манган, цинк, кобалт, молибден - към почвата драстично повишава добива на много култури. Оказва се, че микроелементите, като повишават активността на ензимите в растенията, допринасят за синтеза на протеини, витамини, нуклеинова киселина, захари и нишесте. Някои от химичните елементи имат положителен ефект върху фотосинтезата, ускоряват растежа и развитието на растенията, узряването на семената. Микроелементите се добавят към храната за животни, за да се повиши тяхната продуктивност.

Различни елементи и техните съединения се използват широко като лекарства.

По този начин изследването на биологичната роля на химичните елементи, изясняването на връзката между обмена на тези елементи и други биологично активни вещества - ензими, хормони, витамини допринася за създаването на нови лекарстваи развитие оптимални режимидозирането им както за терапевтични, така и за профилактични цели.

Основата за изследване на свойствата на елементите и по-специално на тяхната биологична роля е периодичен закон DI. Менделеев. Физикохимични характеристикии следователно тяхната физиологична и патологична роля се определят от позицията на тези елементи в периодична система DI. Менделеев.

Като правило, с увеличаване на заряда на ядрото на атомите, токсичността на елементите от тази група се увеличава и съдържанието им в тялото намалява. Намаляването на съдържанието очевидно се дължи на факта, че много елементи с дълги периоди се абсорбират слабо от живите организми поради големи атомни и йонни радиуси, висок ядрен заряд, сложност на електронните конфигурации и ниска разтворимост на съединенията. Тялото съдържа значителни количества леки елементи.

Макроелементите включват s-елементи от първия (водород), третия (натрий, магнезий) и четвъртия (калий, калций) периоди, както и p-елементи от втория (въглерод, азот, кислород) и третия (фосфор, сяра, хлор) периоди. Всички те са жизненоважни. Повечето от останалите s- и p-елементи от първите три периода (Li, B, Al, F) са физиологично активни, s- и p-елементите с големи периоди (n> 4) рядко действат като незаменими. Изключение правят s-елементите - калий, калций, йод. Физиологично активните включват някои s- и p-елементи от четвъртия и петия период - стронций, арсен, селен, бром.

Сред d-елементите жизненоважни са основно елементите от четвъртия период: манган, желязо, цинк, мед, кобалт. Наскоро се установи, че физиологичната роля на някои други d-елементи от този период също е несъмнена: титан, хром, ванадий.

d-елементите от петия и шестия период, с изключение на молибдена, не показват изразена положителна физиологична активност. Молибденът също е част от редица редокс ензими (например ксантин оксид, алдехид оксидаза) и играе важна роля в хода на биохимичните процеси.

2. Общи аспекти на токсичността на тежките метали за живите организми

Цялостното изследване на проблемите, свързани с оценката на състоянието на природната среда, показва, че е много трудно да се направи ясна граница между природни и антропогенни факторипромени в екологичните системи. Последните десетилетия ни убедиха в това. че човешкото въздействие върху природата причинява не само преки, лесно разпознаваеми щети, но и причинява редица нови, често скрити процеси, които трансформират или унищожават околната среда. Природните и антропогенните процеси в биосферата са в сложна взаимовръзка и взаимозависимост. И така, ходът на химичните трансформации, водещи до образуване на токсични вещества, се влияе от климата, състоянието на почвената покривка, водата, въздуха, нивото на радиоактивност и др. При съвременните условия при изследване на процесите на химическо замърсяване на екосистемите възниква проблемът за намиране на естествени, главно поради природни фактори, нива на съдържание на определени химични елементи или съединения. Решението на този проблем е възможно само въз основа на дългогодишни систематични наблюдения на състоянието на компонентите на биосферата, съдържанието на различни вещества, тоест на базата на мониторинг на околната среда.

Замърсяване заобикаляща средатежките метали е пряко свързано с екологичния и аналитичен мониторинг на супертоксикантите, тъй като много от тях проявяват висока токсичност вече в следи и са в състояние да се концентрират в живи организми.

Основните източници на замърсяване на околната среда с тежки метали могат да се разделят на естествени (естествени) и изкуствени (антропогенни). Естествените включват вулканично изригване, прашни бури, горски и степни пожари, морски солииздухани от вятъра, растителността и др. Естествените източници на замърсяване са системни, еднородни или краткотрайно спонтанни и като правило имат малък ефект върху общо нивозамърсяване. Основните и най-опасни източници на замърсяване на природата с тежки метали са антропогенните.

В процеса на изучаване на химията на металите и техните биохимични цикли в биосферата се разкрива двойната роля, която те играят във физиологията: от една страна, повечето метали са необходими за нормалния ход на живота; от друга страна, при повишени концентрации те проявяват висока токсичност, тоест имат лошо влияниеза състоянието и дейността на живите организми. Границата между необходимите и токсичните концентрации на елементите е много неясна, което затруднява надеждната оценка на тяхното въздействие върху околната среда. Количеството, при което някои метали стават наистина опасни, зависи не само от степента на замърсяване на екосистемите от тях, но и от химичните характеристики на техния биохимичен цикъл. В табл. 1 показва поредицата моларна токсичност на металите за различни видовеживи организми.

Таблица 1. Представителна последователност на моларната токсичност на металите

Организми Серия токсичност Водорасли Hg>Cu>Cd>Fe>Cr>Zn>Co>MnFungiAg>Hg>Cu>Cd>Cr>Ni>Pb>Co>Zn>Fe>Zn> Pb> CdFishAg>Hg>Cu> Pb> Cd>Al> Zn> Ni> Cr>Co>Mn>>SrMammalsAg, Hg, Cd> Cu, Pb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe, Cr >> Sr >Сs, Li, Al

За всеки тип организъм подредбата на металите в редовете на таблицата отляво надясно отразява нарастването на моларното количество на метала, необходимо за проява на токсичния ефект. Минималната моларна стойност се отнася за метала с най-висока токсичност.

В.В. Ковалски, въз основа на значението им за живота, разделя химичните елементи на три групи:

Жизненоважни (незаменими) елементи, които се съдържат постоянно в организма (влизат в състава на ензими, хормони и витамини): H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu , Co, Fe, Mo, V. Дефицитът им води до нарушаване на нормалния живот на хората и животните.

Таблица 2. Характеристики на някои металоензими - бионеорганични комплекси

Метал-ензим Централен атом Лигандна среда Обект на концентрация Ензимно действие Карбоанхидраза Zn (II) Аминокиселинни остатъци Еритроцити Катализира обратима хидратация на въглероден диоксид: CO 2+H 2O↔N 2ТАКА 3↔N ++НСО 3Zn (II) карбоксипептидаза Аминокиселинни остатъци Панкреас, черен дроб, черва Катализира разграждането на протеини, участва в хидролизата на пептидната връзка: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2NH 2Каталаза Fe (III) Аминокиселинни остатъци, хистидин, тирозин Кръв Катализира реакцията на разлагане на водороден пероксид: 2H 2О 2= 2Н 2О + О 2Fe(III) пероксидаза Протеини Тъкани, кръв Окисление на субстрати (RH 2) водороден прекис: RH 2+ H 2О 2=R+2H 2Оксиредуктаза Cu (II) Аминокиселинни остатъци Сърце, черен дроб, бъбреци Катализира окислението с помощта на молекулен кислород: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2O Пируват карбоксилаза Mn (II) Тъканни протеини Черен дроб, щитовидна жлеза Засилва действието на хормоните. Катализира процеса на карбоксилиране с пирогроздена киселина Алдехид оксидаза Mo (VI) Тъканни протеини Черен дроб Участва в окисляването на алдехиди Рибонуклеотидна редуктаза Co (II) Тъканни протеини Черен дроб Участва в биосинтеза на рибонуклеинови киселини

• примесни елементи, постоянно съдържащи се в тялото: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, An, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Тяхната биологична роля е малко разбрана или неизвестна.
• примесни елементи, открити в тялото Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др. Данните за количеството и биологичната роля не са ясни.
• Таблицата показва характеристиките на редица металоензими, които включват жизненоважни метали като Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.
• В зависимост от поведението в живите системи металите могат да бъдат разделени на 5 вида:
• - необходими елементи, при липса на които възникват функционални нарушения в организма;
• - стимуланти (необходими и ненужни за организма метали могат да действат като стимуланти);
• инертни елементи, които са безвредни при определени концентрации и нямат никакво въздействие върху тялото (например инертни метали, използвани като хирургически импланти):
• терапевтични средства, използвани в медицината;
• токсични елементи, при високи концентрации, водещи до необратими функционални нарушения, смърт на организма.
• В зависимост от концентрацията и времето на контакт, металът може да действа според един от посочените типове.
• Фигура 1 показва диаграма на зависимостта на състоянието на организма от концентрацията на метални йони. Плътната крива на диаграмата описва непосредствената положителна реакция, оптималното ниво и прехода на положителния ефект към отрицателния, след като стойностите на концентрацията на желания елемент преминат през максимума. При високи концентрации необходимият метал става токсичен.
• Пунктираната крива показва биологичния отговор на метал, токсичен за тялото, без ефекта на основен или стимулиращ елемент. Тази крива идва с известно закъснение, което показва способността на живия организъм да „не реагира“ на малки количества токсично вещество (прагова концентрация).
• От диаграмата следва, че необходимите елементи стават токсични в излишни количества. Организмът на животните и хората поддържа концентрацията на елементите в оптимален диапазон чрез комплекс от физиологични процеси, наречени хомеостаза. Концентрацията на всички, без изключение, необходими метали е под строг контрол на хомеостазата.

• Фиг.1 Биологичен отговор в зависимост от концентрацията на метала. ( Взаимна договореностдве криви спрямо скалата на концентрацията условно)
• отравяне с йони с метална токсичност
• Особен интерес представлява съдържанието на химични елементи в човешкото тяло. Човешките органи по различен начин концентрират различни химични елементи в себе си, тоест макро- и микроелементите са неравномерно разпределени между различните органи и тъкани. Повечето микроелементи (съдържанието в тялото е в рамките на 10 -3-10-5%) се натрупва в черния дроб, костите и мускулните тъкани. Тези тъкани са основното депо за много метали.
• Елементите могат да проявяват специфичен афинитет към определени органи и да се съдържат в тях във високи концентрации. Известно е, че цинкът е концентриран в панкреаса, йодът в щитовидната жлеза, ванадий, заедно с алуминий и арсен, се натрупва в косата и ноктите, кадмий, живак, молибден - в бъбреците, калай в чревните тъкани, стронций - в простатната жлеза, костната тъкан, манганът в хипофизната жлеза и др. В тялото могат да бъдат намерени микроелементи обвързано състояние, и под формата на свободни йонни форми. Установено е, че алуминият, медта и титанът в мозъчните тъкани са под формата на комплекси с протеини, докато манганът е в йонна форма.
• В отговор на постъпването на прекомерни концентрации на елементи в тялото, живият организъм е в състояние да ограничи или дори да елиминира получения токсичен ефект поради наличието на определени механизми за детоксикация. Специфичните механизми на детоксикация по отношение на металните йони понастоящем не са добре разбрани. Много метали в тялото могат да бъдат превърнати в по-малко вредни форми по следните начини:
• образуване на неразтворими комплекси в чревния тракт;
• транспортиране на метал с кръв до други тъкани, където може да бъде имобилизиран (като например Pb + 2 в костите);

Клетките на живите организми химичен състав значително се различават от заобикалящата ги нежива среда и по структура химични съединения, както и от набора и съдържанието на химичните елементи. Общо около 90 химични елемента присъстват (открити до момента) в живите организми, които в зависимост от съдържанието им се разделят на 3 основни групи: макроелементи , микроелементи и ултрамикроелементи .

Макронутриенти.

Макронутриенти присъстват в значителни количества в живите организми, вариращи от стотни от процента до десетки процента. Ако съдържанието на някое химическив тялото надвишава 0,005% от телесното тегло, такова вещество се класифицира като макронутриент. Те са част от основните тъкани: кръв, кости и мускули. Те включват например следните химични елементи: водород, кислород, въглерод, азот, фосфор, сяра, натрий, калций, калий, хлор. Макронутриентите общо съставляват около 99% от масата на живите клетки, като повечето (98%) се падат на водород, кислород, въглерод и азот.

Таблицата по-долу показва основните макронутриенти в тялото:

И четирите най-често срещани елемента в живите организми (това са водород, кислород, въглерод, азот, както беше споменато по-рано) се характеризират с един обща собственост. Тези елементи нямат един или повече електрони във външната си орбита, за да образуват стабилни електронни връзки. Така че на водородния атом липсва един електрон във външната орбита, за да образува стабилна електронна връзка, на атомите на кислорода, азота и въглерода липсват съответно два, три и четири електрона. В тази връзка тези химични елементи лесно се образуват ковалентни връзкипоради сдвояване на електрони, и могат лесно да взаимодействат един с друг, запълвайки външните си електронни обвивки. Освен това кислородът, въглеродът и азотът могат да образуват не само единични, но и двойни връзки. В резултат на това броят на химичните съединения, които могат да се образуват от тези елементи, се увеличава значително.

Освен това въглеродът, водородът и кислородът са най-леките от елементите, способни да образуват ковалентни връзки. Следователно те се оказват най-подходящи за образуване на съединения, които съставляват живата материя. Отделно е необходимо да се отбележи още едно важно свойство на въглеродните атоми - способността да образуват ковалентни връзки с четири други въглеродни атома наведнъж. Благодарение на тази способност, скелета се създават от огромно разнообразие от органични молекули.

Микроелементи.

Въпреки че съдържанието микроелементи не надвишава 0,005% за всеки индивидуален елемент, а общо те съставляват само около 1% от масата на клетките, микроелементите са необходими за жизнената дейност на организмите. При липса или недостатъчно съдържание могат да възникнат различни заболявания. Много микроелементи са част от непротеиновите групи ензими и са необходими за каталитичната им функция.
Например желязото е интегрална частхем, който е част от цитохромите, които са компоненти на веригата за транспортиране на електрони, и хемоглобин, протеин, който осигурява транспортиране на кислород от белите дробове до тъканите. Дефицитът на желязо в човешкото тяло причинява анемия. А липсата на йод, който е част от хормона на щитовидната жлеза - тироксин, води до появата на заболявания, свързани с недостатъчност на този хормон, като ендемична гуша или кретинизъм.

Примери за микроелементи са представени в таблицата по-долу:

Ултрамикроелементи.

В групата ултрамикроелементи включва елементи, чието съдържание в тялото е изключително малко (по-малко от 10 -12%). Те включват бром, злато, селен, сребро, ванадий и много други елементи. Повечето от тях са необходими и за нормалното функциониране на живите организми. Например, липсата на селен може да доведе до рак, а липсата на бор е причина за някои заболявания при растенията. Много елементи от тази група, както и микроелементи, са част от ензимите.

клетка

От гледна точка на концепцията за живите системи според А. Ленингер.

Живата клетка е изотермична система от органични молекули, способни да се саморегулират и самовъзпроизвеждат, извличайки енергия и ресурси от околната среда.

тече в клетката голям бройпоследователни реакции, чиято скорост се регулира от самата клетка.

Клетката се поддържа в стационарно динамично състояние, далеч от равновесие с околната среда.

Клетките работят на принципа на минимална консумация на компоненти и процеси.

Че. клетката е елементарна жива отворена система, способна на самостоятелно съществуване, възпроизвеждане и развитие. Той е елементарна структурна и функционална единица на всички живи организми.

Химичният състав на клетките.

От 110-те елемента на периодичната система на Менделеев, 86 са установени като постоянно присъстващи в човешкото тяло. 25 от тях са необходими за нормалния живот, като 18 от тях са абсолютно необходими, а 7 са полезни. В зависимост от процента в клетката химичните елементи се разделят на три групи:

Макронутриенти Основните елементи (органогени) са водород, въглерод, кислород, азот. Тяхната концентрация: 98 - 99,9%. Те са универсални компоненти на органичните съединения на клетката.

Микроелементи - натрий, магнезий, фосфор, сяра, хлор, калий, калций, желязо. Тяхната концентрация е 0,1%.

Ултрамикроелементи - бор, силиций, ванадий, манган, кобалт, мед, цинк, молибден, селен, йод, бром, флуор. Влияят на метаболизма. Тяхното отсъствие е причина за заболявания (цинк - диабет, йод - ендемична гуша, желязо - пернициозна анемия и др.).

Съвременната медицина знае фактите за отрицателното взаимодействие на витамини и минерали:

Цинкът намалява усвояването на медта и се конкурира за усвояването с желязо и калций; (а дефицитът на цинк причинява отслабване имунна система, редица патологични състояния от жлезите с вътрешна секреция).

Калцият и желязото намаляват усвояването на манган;

Витамин Е не се комбинира добре с желязо, а витамин С не се комбинира добре с витамини от група В.

Положително взаимодействие:

Витамин Е и селенът, както и калцият и витамин К действат синергично;

Витамин D е от съществено значение за усвояването на калция;

Медта насърчава усвояването и повишава ефективността на използването на желязо в организма.

неорганични компоненти на клетката.

Вода- най-важните съставна частклетки, универсалната дисперсионна среда на живата материя. Активните клетки на земните организми се състоят от 60 - 95% вода. В покойни клетки и тъкани (семена, спори) водата е 10-20%. Водата в клетката е в две форми – свободна и свързана с клетъчни колоиди. Свободната вода е разтворителят и дисперсионната среда на колоидната система на протоплазмата. Нейните 95%. Свързаната вода (4-5%) от цялата клетъчна вода образува крехки водородни и хидроксилни връзки с протеини.

Свойства на водата:

Водата е естествен разтворител за минерални йони и други вещества.

Водата е дисперсната фаза на колоидната система на протоплазмата.

Водата е средата за реакциите на клетъчния метаболизъм, т.к. физиологичните процеси протичат в изключително водна среда. Осигурява реакции на хидролиза, хидратация, подуване.

Участва в много ензимни реакции на клетката и се образува в процеса на метаболизма.

Водата е източник на водородни йони по време на фотосинтезата в растенията.

Биологична стойност на водата:

Повечето биохимични реакции протичат само във воден разтвор; много вещества влизат и излизат от клетките в разтворена форма. Това характеризира транспортната функция на водата.

Водата осигурява реакции на хидролиза - разграждането на протеини, мазнини, въглехидрати под действието на водата.

Поради високата топлина на изпарение тялото се охлажда. Например, изпотяване при хора или транспирация в растенията.

Високият топлинен капацитет и топлопроводимостта на водата допринасят за равномерното разпределение на топлината в клетката.

Поради силите на сцепление (вода - почва) и сцепление (вода - вода), водата има свойството на капилярност.

Несвиваемостта на водата определя напрегнатото състояние на клетъчните стени (тургор), хидростатичния скелет при кръглите червеи.