Біологічна роль хімічних елементіву живих організмах

1. Макро та мікроелементи в середовищі та організмі людини

Біологічна роль хімічних елементів у людини надзвичайно різноманітна.

Головна функція макроелементів полягає у побудові тканин, підтримці сталості осмотичного тиску, іонного та кислотно-основного складу.

Мікроелементи, входячи до складу ферментів, гормонів, вітамінів, біологічно активних речовин як комплексоутворювачі або активатори, беруть участь в обміні речовин, процесах розмноження, тканинному диханні, знешкодженні токсичних речовин. Мікроелементи активно впливають на процеси кровотворення, окислення – відновлення, проникність судин та тканин. Макро- та мікроелементи - кальцій, фосфор, фтор, йод, алюміній, кремній визначають формування кісткової та зубної тканин.

Є дані, що деякі елементи в організмі людини змінюється з віком. Так, вміст кадмію в нирках та молібдену в печінці до старості підвищується. Максимальний вміст цинку спостерігається в період статевого дозрівання, потім воно знижується і на старості доходить до мінімуму. Зменшується з віком та вміст інших мікроелементів, наприклад ванадію та хрому.

Виявлено чимало захворювань, пов'язаних із нестачею або надмірним накопиченням різних мікроелементів. Дефіцит фтору викликає карієс зубів, дефіцит йоду – ендемічний зоб, надлишок молібдену – ендемічну подагру. Такі закономірності пов'язані з тим, що у людини підтримується баланс оптимальних концентрацій біогенних елементів - хімічний гомеостаз. Порушення цього балансу внаслідок нестачі або надлишку елемента може призводити до різних захворювань.

Крім шести основних макроелементів - органогенів - вуглецю, водню, азоту, кисню, сірки та фосфору, з яких складаються вуглеводи, жири, білки та нуклеїнові кислоти, для нормального харчування людини та тварин необхідні "неорганічні" макроелементи - кальцій, хлор, магній, калій, натрій – та мікроелементи – мідь, фтор, йод, залізо, молібден, цинк, а також, можливо (для тварин доведено), селен, миш'як, хром, нікель, кремній, олово, ванадій.

Недолік у харчовому раціоні таких елементів, як залізо, мідь, фтор, цинк, йод, кальцій, фосфор, магній та інших, призводить до серйозних наслідківздоров'я людини.

Проте пам'ятаймо, що з організму шкідливий як недолік, а й надлишок біогенних елементів, оскільки у своїй порушується хімічний гомеостаз. Наприклад, при надходженні надлишку марганцю з їжею в плазмі підвищується рівень міді (синергізм Мn і Сu), а нирках він знижується (антагонізм). Підвищення вмісту молібдену у продуктах харчування призводить до збільшення кількості міді у печінці. Надлишок цинку в їжі викликає пригнічення активності залізовмісних ферментів (антагонізм Zn та Fe).

Мінеральні компоненти, які у мізерно малих кількостях є життєво необхідними, за більш високих концентраціях стають токсичними.

Ряд елементів (срібло, ртуть, свинець, кадмій та інших.) вважаються токсичними, оскільки потрапляння в організм вже у мікрокількостях призводить до важким патологічним явищам. Хімічний механізмтоксичної дії деяких мікроелементів буде розглянуто нижче.

Біогенні елементи знайшли широке застосування сільському господарстві. Додавання в ґрунт незначних кількостей мікро елементів – бору, міді, марганцю, цинку, кобальту, молібдену – різко підвищує врожайність багатьох культур. Виявляється, що мікроелементи, збільшивши активність ферментів у рослинах, сприяють синтезу білків, вітамінів, нуклеїнових кислот, цукрів та крохмалю. Деякі з хімічних елементів позитивно діють на фотосинтез, прискорюють ріст та розвиток рослин, дозрівання насіння. Мікроелементи додають у корм тваринам, щоб підвищити їхню продуктивність.

Широко використовують різні елементи та їх сполуки як лікарські засоби.

Таким чином, вивчення біологічної ролі хімічних елементів, з'ясування взаємозв'язку обміну цих елементів та інших біологічно активних речовин – ферментів, гормонів, вітамінів сприяє створенню нових. лікарських препаратівта розробці оптимальних режимівїх дозування як із лікувальною, так і з профілактичною метою.

Основою вивчення властивостей елементів і, зокрема, їх біологічної ролі є періодичний законД.І. Менделєєва. Фізико-хімічні властивості, а, отже, їх фізіологічна та патологічна роль, визначаються положенням цих елементів у періодичної системиД.І. Менделєєва.

Як правило, зі збільшенням заряду ядра атомів збільшується токсичність елементів цієї групи та зменшується їх вміст у організмі. Зменшення вмісту, зрозуміло, пов'язано з тим, що багато елементів довгих періодів через великі атомні та іонні радіуси, високий заряд ядра, складність електронних конфігурацій, малу розчинність сполук погано засвоюються живими організмами. В організмі значних кількостях містяться легкі елементи.

До макроелементів відносяться s-елементи першого (водень), третього (натрій, магній) та четвертого (калій, кальцій) періодів, а також р-елементи другого (вуглець, азот, кисень) та третього (фосфор, сірка, хлор) періодів. Усі вони життєво потрібні. Більшість інших s- та р-елементів перших трьох періодів (Li, В, Al, F) фізіологічно активні, s- та р-елементи великих періодів (n>4) рідко виступають як незамінні. Виняток становлять s-елементи – калій, кальцій, йод. До фізіологічно активних відносять деякі s- та р-елементи четвертого та п'ятого періодів – стронцій, миш'як, селен, бром.

Серед d-елементів життєво необхідні переважно елементи четвертого періоду: марганець, залізо, цинк, мідь, кобальт. Останнім часом встановлено, що безсумнівна фізіологічна роль деяких інших d-елементів цього періоду: титану, хрому, ванадію.

d-Елементи, п'ятого та шостого періодів, за винятком молібдену, не виявляють вираженої позитивної фізіологічної активності. Молібден входить до складу низки окислювально-відновних ферментів (наприклад, ксантиноксида-, альдегідоксидази) і грає велику роль у протіканні біохімічних процесів.

2. Загальні аспекти токсичності важких металів для живих організмів

Всебічне вивчення проблем, пов'язаних з оцінкою стану природного середовища показує, що дуже важко провести чіткий кордон між природними і антропогенними факторамизміни екологічних систем. Останні десятиліття переконали нас у цьому. що вплив людини на природу завдає їй не тільки безпосередніх збитків, що легко визначаються, але й викликає ряд нових, часто прихованих процесів, що трансформують іди руйнують навколишнє середовище. Природні та антропогенні процеси в біосфері перебувають у складному взаємозв'язку та взаємозалежності. Так, на перебіг хімічних перетворень, що призводять до утворення токсичних речовин, впливають клімат, стан ґрунтового покриву, вода, повітря, рівень радіоактивності тощо. В умовах, що склалися при вивченні процесів хімічного забруднення екосистем виникає проблема знаходження природних, зумовлених в основному природними факторами, рівнів вмісту тих чи інших хімічних елементів або сполук. Вирішення даної проблеми можливе лише на основі проведення тривалих систематичних спостережень за станом компонентів біосфери, за вмістом у них різних речовин, тобто на основі проведення екологічного моніторингу.

Забруднення довкілляважкими металами має пряме відношення до еколого-аналітичного моніторингу супертоксикантів, оскільки багато з них виявляють високу токсичність вже у слідових кількостях та здатні концентруватися в живих організмах.

Основні джерела забруднення природного середовища важкими металами можна поділити на природні (природні) та штучні (антропогенні). До природних відносять виверження вулканів, курні бурі, лісові та степові пожежі, морські солі, підняті вітром, рослинність та ін. Природні джерела забруднення носять або систематичний рівномірний, або короткочасний стихійний характер і, як правило, мало впливають на загальний рівеньзабруднення. Головними та найнебезпечнішими джерелами забруднення природи важкими металами є антропогенні.

У процесі вивчення хімії металів та його біохімічних циклів у біосфері виявляється двоїста роль, що вони грають у фізіології: з одного боку, більшість металів є необхідні нормального перебігу життя; з іншого, при підвищених концентраціях вони виявляють високу токсичність, тобто надають шкідливий впливна стан та активність живих організмів. Кордон між необхідними та токсичними концентраціями елементів дуже розпливчаста, що ускладнює проведення достовірної оцінки їхнього впливу на навколишнє середовище. Кількість, у якому деякі метали стають справді небезпечними, залежить тільки від ступеня забруднення ними екосистем, але й від хімічних особливостей їх біохімічного циклу. У табл. 1 представлені ряди молярної токсичності металів для різних видівживих організмів.

Таблиця 1. Представницька послідовність молярної токсичності металів

ОрганізмиРяди токсичностіВодоросліНg>Сu>Сd>Fе>Сr>Zn>Со>МnГрибкиАg>Нg>Сu>Сd>Сr>Ni>Рb>Со>Zn>FеКвітучі рослиниHg>Рb>Сu>Сd>Сr>Ni>ZnКільчасті >Zn > Рb> СdРибиАg>Нg>Сu>Рb>Сd>Al> Zn> Ni> Сr >Со >Mn>>SrСмолекопитающиеАg, Нg, Сd> Сu, Рb, Sn, Be>> Mn, Zn, Ni, Fe , Сr >> Sr >Сs, Li, Al

Для кожного виду організму порядок розташування металів у рядах таблиці ліворуч відбиває збільшення молярної кількості металу, необхідного для прояву ефекту токсичності. Мінімальна молярна величина відноситься до металу з найбільшою токсичністю.

В.В. Ковальський, виходячи із значущості для життєдіяльності, підрозділив хімічні елементи на три групи:

Життєво необхідні (незамінні) елементи, що постійно містяться в організмі (входять до складу ферментів, гормонів та вітамінів): Н, О, Са, N, К, Р, Nа, S, Mg, Cl, С, I, Мn, Сu, З, Fe, Мо, V. Їх дефіцит призводить до порушення нормальної життєдіяльності людини та тварин.

Таблиця 2. Характеристика деяких металоферментів – біонеорганічних комплексів

МеталоферментЦентральний атомЛігандне оточенняОб'єкт концентраціїДія ферментуКарбоангідразаZn (II)Амінокислотні залишкиЕритроцитиКаталізує оборотну гідратацію вуглекислого газу: СО 2+Н 2О↔Н 2СО 3↔Н ++НСО 3Карбоскіпептидаза Zn (II) Амінокислотні залишки Підшлункова залоза, печінка, кишечник Каталізує перетравлення білків, бере участь у гідролізі пептидного зв'язку: R 1CO-NH-R 2+H 2O↔R 1-COOH+R 2NH 2Каталаза Fe (III) Амінокислотні залишки, гістидин, тирозин Кров Каталізує реакцію розкладання пероксиду водню: 2Н 2Про 2= 2Н 2О+О 2Пероксидаза Fe (III) Білки Тканина, кров Окислення субстратів (RH 2) пероксиду водню: RH 2+ H 2O 2= R + 2H 2OОксиредуктазаCu (II)Амінокислотні залишкиСерце, печінка, ниркиКаталізує окислення за допомогою молекулярного кисню: 2H 2R+O 2= 2R + 2H 2OПіруваткарбоксилазаMn (II)Білки тканинПечень, щитовидна залоза Підсилює дії гормонів. Каталізує процес карбоксилювання піровиноградною кислотоюАльдегідоксидазаMo(VI)Білки тканинПеченьБере участь в окисленні альдегідівРібонуклеотидредуктазаCo(II)Білки тканинПеченьБере участь у біосинтезі рибонуклеїнових кислот

• домішні елементи, що постійно містяться в організмі: 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. Біологічна роль їх мало з'ясована чи невідома.
• Домішні елементи, виявлені в організмі Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb та ін. Дані про кількість та біологічна роль не з'ясовані.
• У таблиці наведено характеристику низки металоферментів, до складу яких входять такі життєво необхідні метали, як Zn, Fe, Cu, Mn, Mo.
• Залежно від поведінки у живих системах метали можна розділити на 5 типів:
• - необхідні елементи, При нестачі яких в організмі виникають функціональні порушення;
• - стимулятори (як стимулятори можуть виступати як необхідні, так і не необхідні для організму метали);
• інертні елементи, які при певних концентраціях є нешкідливими, не надають будь-якої дії на організм (наприклад, інертні метали, що використовуються як хірургічні імплантати):
• терапевтичні агенти, що використовуються у медицині;
• токсичні елементи, при високих концентраціях, що призводять до незворотних функціональних порушень, загибелі організму.
• Залежно від концентрації та часу контакту метал може діяти за одним із зазначених типів.
• На малюнку 1 представлено діаграму залежності стану організму від концентрації іонів металу. Суцільна крива на діаграмі визначає негайну позитивну відповідь, оптимальний рівень та перехід позитивного ефекту до негативного після проходження значень концентрації необхідного елемента через максимум. При високих концентраціях необхідний метал перетворюється на розряд токсичних.
• Пунктирна крива демонструє біологічну відповідь на токсичний для організму метал, що не має ефекту необхідного або стимулюючого елемента. Ця крива йде з деяким запізненням, яке свідчить про здатність живого організму "не реагувати" на невеликі кількості токсичної речовини (порогова концентрація).
• З діаграми випливає, що необхідні елементи стають токсичними у надлишкових кількостях. Організм тварин та людини підтримує концентрацію елементів у оптимальному інтервалі за допомогою комплексу фізіологічних процесів, званого гомеостазом. Концентрація всіх необхідних металів перебуває під суворим контролем гомеостазу.

• Рис.1 Біологічна відповідь залежно від концентрації металу. ( Взаємне розташуваннядвох кривих щодо шкали концентрацій умовно)
• метал токсичність іон отруєння
• Особливий інтерес становить зміст хімічних елементів у людини. Органи людини по-різному концентрують у собі різні хімічні елементи, тобто макро- та мікроелементи нерівномірно розподіляються між різними органами та тканинами. Більшість мікроелементів (вміст в організмі знаходиться в межах 10 -3-10-5%) накопичується в печінці, кістковій та м'язових тканинах. Ці тканини є основним депо для багатьох металів.
• Елементи можуть виявляти специфічну спорідненість щодо деяких органів та утримуватися в них у високих концентраціях. Відомо, що цинк концентрується в підшлунковій залозі, йод у щитовидній залозі, ванадій поряд з алюмінієм і миш'яком накопичується у волоссі та нігтях, кадмій, ртуть, молібден – у нирках, олово у тканинах кишечнику, стронцій – марно. у гіпофізі тощо. В організмі мікроелементи можуть бути як у пов'язаному стані, і у вигляді вільних іонних форм. Встановлено, що алюміній, мідь і титан у тканинах мозку знаходяться у вигляді комплексів з білками, тоді як марганець - іонному вигляді.
• У відповідь на надходження в організм надлишкових концентрацій елементів живий організм здатний обмежувати або навіть усунути, що виникає при цьому токсичний ефект завдяки наявності певних механізмів детоксикації. Специфічні механізми детоксикації щодо іонів металів нині вивчені недостатньо. Багато металів в організмі можуть переходити до менш шкідливих форм наступними шляхами:
• утворення нерозчинних комплексів у кишечнику;
• транспорт металу з кров'ю в інші тканини, де він може бути іммобілізований (як, наприклад. Pb+2 у кістках);

Клітини живих організмів за своїм хімічним складом значно відрізняються від навколишнього їх неживого середовища та за структурою хімічних сполук, і за набором та змістом хімічних елементів. Загалом у живих організмах присутні (виявлено на сьогодні) близько 90 хімічних елементів, які, залежно від їх вмісту, поділяють на 3 основні групи: макроелементи , мікроелементи і ультрамікроелементи .

Макроелементи.

Макроелементи у значних кількостях представлені в живих організмах, починаючи від сотих часток відсотка до десятків відсотків. Якщо зміст будь-якого хімічної речовинив організмі перевищує 0.005% маси тіла, така речовина відносять до макроелементів. Вони входять до складу основних тканин: крові, кісток та м'язів. До них належать, наприклад, такі хімічні елементи: водень, кисень, вуглець, азот, фосфор, сірка, натрій, кальцій, калій, хлор. Макроелементи у сумі становлять близько 99% від маси живих клітин, причому більшість (98%) посідає саме водень, кисень, вуглець і азот.

У таблиці нижче представлені основні макроелементи в організмі:

Для всіх чотирьох найпоширеніших у живих організмах елементів (це водень, кисень, вуглець, азот, як було зазначено раніше) характерно одне загальна властивість. Цим елементам не вистачає одного або кількох електронів на зовнішній орбіті для створення стабільних електронних зв'язків. Так, атому водню для утворення стабільного електронного зв'язку не вистачає одного електрона на зовнішній орбіті, атомів кисню, азоту та вуглецю — двох, трьох та чотирьох електронів відповідно. У зв'язку з цим ці хімічні елементи легко утворюють ковалентні зв'язкиза рахунок спарювання електронів, і можуть легко взаємодіяти один з одним, заповнюючи свої зовнішні електронні оболонки. Крім цього, кисень, вуглець і азот можуть утворювати як одинарні, а й подвійні зв'язку. Внаслідок чого суттєво збільшується кількість хімічних сполук, які можуть утворюватися з цих елементів.

Крім того, вуглець, водень та кисень - найлегші серед елементів, здатних утворювати ковалентні зв'язки. Тому вони виявилися найбільш підходящими для утворення сполук, що входять до складу живої матерії. Необхідно відзначити окремо ще одну важливу властивість атомів вуглецю — здатність утворювати ковалентні зв'язки разом з чотирма іншими атомами вуглецю. Завдяки цій здатності створюються каркаси з безлічі різноманітних органічних молекул.

Мікроелементи.

Хоча зміст мікроелементів не перевищує 0,005% для кожного окремого елемента, а сумі вони становлять лише близько 1% маси клітин, мікроелементи необхідні життєдіяльності організмів. За їх відсутності чи недостатньому змісті можуть виникати різні захворювання. Багато мікроелементів входять до складу небілкових груп ферментів і необхідні для здійснення їхньої каталітичної функції.
Наприклад, залізо є складовоюгема, що входить до складу цитохромів, що є компонентами ланцюга перенесення електронів, та гемоглобіну – білка, що забезпечує транспорт кисню від легень до тканин. Дефіцит заліза в людини викликає розвиток анемії. А нестача йоду, що входить до складу гормону щитовидної залози - тироксину, призводить до виникнення захворювань, пов'язаних із недостатністю цього гормону, таких як ендемічний зоб або кретинізм.

Приклади мікроелементів представлені у таблиці нижче:

Ультрамікроелементи.

До складу групи ультрамікроелементів входять елементи, вміст яких у організмі вкрай мало (менше 10 -12 %). До них відносяться бром, золото, селен, срібло, ванадій та багато інших елементів. Більшість із них також потрібні для нормального функціонування живих організмів. Наприклад, брак селену може призвести до ракових захворювань, а недолік бору — причина деяких захворювань у рослин. Багато елементів цієї групи, як і мікроелементи, входять до складу ферментів.

Клітина

З погляду концепції живих систем за А. Ленінджером.

Жива клітина – це здатна до саморегуляції та самовідтворення ізотермічна система органічних молекул, що отримує енергію та ресурси з навколишнього середовища.

У клітці протікає велика кількістьпослідовних реакцій, швидкість яких регулюється клітиною.

Клітина підтримує себе у стаціонарному динамічному стані, далекому від рівноваги із навколишнім середовищем.

Клітини функціонують за принципом мінімальної витрати компонентів та процесів.

Т.ч. клітина – елементарна жива відкрита система, здатна до самостійного існування, відтворення та розвитку. Вона є елементарною структурно-функціональною одиницею всіх живих організмів.

Хімічний склад клітин.

Зі 110 елементів періодичної системи Менделєєва в організмі людини виявлено 86 постійно присутніх. 25 їх необхідні для нормальної життєдіяльності, причому 18 їх необхідні абсолютно, а 7 - корисні. Відповідно до процентного вмісту в клітині хімічні елементи ділять на три групи:

Макроелементи Основні елементи (органогени) – водень, вуглець, кисень, азот. Їхня концентрація: 98 – 99,9 %. Вони є універсальними компонентами органічних сполук клітини.

Мікроелементи – натрій, магній, фосфор, сірка, хлор, калій, кальцій, залізо. Їхня концентрація 0,1%.

Ультрамікроелементи – бір, кремній, ванадій, марганець, кобальт, мідь, цинк, молібден, селен, йод, бром, фтор. Вони впливають обмін речовин. Їхня відсутність є причиною захворювань (цинк - цукровий діабет, йод – ендемічний зоб, залізо – злоякісна анемія і т.д.).

Сучасній медицині відомі факти негативної взаємодії вітамінів та мінералів:

Цинк знижує засвоєння міді та конкурує за засвоєння із залізом та кальцієм; (А дефіцит цинку викликає ослаблення імунної системи, ряд патологічних станів із боку залоз внутрішньої секреції).

Кальцій та залізо знижують засвоєння марганцю;

Вітамін Е погано поєднується із залізом, а вітамін С – з вітамінами групи В.

Позитивний взаємовплив:

Вітамін Е та селен, а також кальцій та вітамін К діють синергічно;

Для засвоєння кальцію потрібен вітамін Д;

Мідь сприяє засвоєнню та підвищує ефективність використання заліза в організмі.

Неорганічні складові клітини.

Вода– найважливіша складова частинаклітини, універсальне дисперсійне середовище живої матерії. Активні клітини наземних організмів складаються з 60 – 95% з води. У клітках і тканинах (насіння, суперечки) води 10 - 20%. Вода в клітині знаходиться у двох формах – вільної та пов'язаної з клітинними колоїдами. Вільна вода є розчинником та дисперсійним середовищем колоїдної системи протоплазми. Її 95%. Пов'язана вода (4 – 5 %) усієї води клітини утворює неміцні водневі та гідроксильні зв'язки з білками.

Властивості води:

Вода – природний розчинник для мінеральних іонів та інших речовин.

Вода - дисперсійна фаза колоїдної системи протоплазми.

Вода є середовищем реакцій метаболізму клітини, т.к. Фізіологічні процеси відбуваються у виключно водному середовищі. Забезпечує реакції гідролізу, гідратації, набухання.

Бере участь у багатьох ферментативних реакціях клітини та утворюється у процесі обміну речовин.

Вода - джерело іонів водню при фотосинтезі рослин.

Біологічне значення води:

Більшість біохімічних реакцій йде лише у водному розчині, багато речовин надходять і виводяться з клітин у розчиненому вигляді. Це характеризує транспортну функцію води.

Вода забезпечує реакції гідролізу – розщеплення білків, жирів, вуглеводів під впливом води.

Завдяки великій теплоті випаровування відбувається охолодження організму. Наприклад, потовиділення у людини або транспірація у рослин.

Велика теплоємність та теплопровідність води сприяє рівномірному розподілу тепла у клітині.

Завдяки силам адгезії (вода – ґрунт) та когезії (вода – вода) вода має властивість капілярності.

Нестискання води визначає напружений стан клітинних стінок (тургор), гідростатичний скелет у круглих хробаків.