Химия биогенных элементов

Введение.

Изучение влияния различных химических элементов на организм животных и человека, а также исследование химических элементов как постоянных составных частей тканей и биологических жидкостей живых организмов началось во второй половине XIX ст. Однако на научную основупроблема биологической роли химических элементов была поставленаакадемиком В.И.Вернадским. Изучая геохимические превращения в земной коре, он установил, что изменения, происходящие в верхних слоях земнойкоры, оказывают определенное влияние на химический состав живыхорганизмов и протекание в них биологических реакций, а живые организмыв свою очередь обусловливают закономерные миграции химическихэлементов в природе. В дальнейшем учение о биологической роли химических элементов развили А.П.Виноградов, В.В.Ковальский, М.Я.Школьник, Е.Андервуд и др.

В 70-е годы XIX века В.В. Ковальский определил биогенные элементы как химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определенное биологическое значение. Под второй частью определения понимается, что эти элементы необходимы для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов. Из всех элементов периодической системы Д.И.Менделеева особо важную роль в осуществлении различных физиологических и патологических процессов играют: 10 металлов –– Na, K, Mg, Ca, Zn, Mn, Fe, Co Mo, Cu; 6 органогенов –– H, C, N, O, P и S, составляющих основу всех биологически важных молекул и макромолекул.

В настоящее время допускается, что в живых организмах встречаются все известные химические элементы, поэтому с совершенствованием методик определения наши сведения о наличии в живом веществе химических элементов будут расширяться. В отличие от химических элементов, составляющих основную массу живого существа, так называемых макроэлементов (С, О, Н, N, P, S, Ca, Na, Mg и т.д.),минеральные вещества, содержание которых в организмах очень невелико и составляет 10–3 – 10–12 %, получили название микроэлементов. К последним относятся Mn, Cu, Zn, Co, Ni, I, F, Mo и многие другие. Элементы, содержащиеся в организмах в очень низких концентрациях (менее 10–12%), иногда называют ультрамикроэлементами. Однако эта классификация не указывает на роль и значение в организме того или иного элемента. Незначительное содержание микроэлементов в составе организма вовсе не свидетельствует о том, что эти вещества являются случайными примесями или загрязнениями. Напротив, важнейшая биологическая роль многих наиболее изученных микроэлементов с каждым годом выявляется все полнее. Макроэлементы поддерживают осмотическое давление, рН среды, ионное равновесие, кислотно-щелочное равновесие и т.д.

Микроэлементы вместе с ферментами, гормонами, витаминами и другими биологически активными веществами участвуют в процессах роста, размножения, обмена нуклеиновых кислот, белков, жиров, углеводов и т.д. Биологические функции микроэлементов в живом организме связаны главным  образом с процессами комплексообразования, происходящими между биологическими лигандами и ионами соответствующих металлов.

Образование металлоорганических комплексов имеет важное биологическое значение, поскольку они принимают самое активное участие в обменных процессах, протекающих в организме. Известно, что способность микроэлементов к каталитическому действию повышается в миллионы раз, если они образуют органические комплексы. Многие вредные вещества, попадающие в организм извне, удаляются из организма с помощью лигандов, которые связывают их в комплексы. Кроме того, комплексные соединения широко используются в качестве лекарственных препаратов. Достаточно привести для примера комплексные соединения платины цис-[Pt(NH3)2Cl2] и цис-[Pt(NH3)2Cl4], которые обладают противоопухолевой активностью. Многие лекарственные средства действуют в организме как хелатирующие агенты, т.е. являются лигандами (этилендиаминтетрауксусная кислота – ЭДТА, дисульфирам и т.д.). Исследование протекающих в организме физиологических и патологических процессов с участием комплексных соединений, а также создание на основе комплексных соединений лекарственных препаратов является одной из важнейших задач бионеорганической химии. Нарушение баланса макро- и микроэлементов приводит к различным изменениям в состоянии организма. Например, дети отстают в физическом развитии, если в их организме наблюдается недостаток какого-либо одного из таких элементов, как K, Mg, Ca, Fe, Zn, Cu, Co, Cr. Снижение иммунных сил наблюдается при нарушении в организме баланса K, Ca, Cu, Mn, Co, Se, а состояние зубов зависит от содержания в организме Ca, Mg, Fe, Zn, Cu, Р. Поэтому в состав пищи должны входить минеральные вещества, за счет которых организм реализует свою потребность в химических элементах. Недостаток или избыток тех или иных химических элементов в организме человека позволяет врачу сделать заключение о том, правильно ли питается пациент, безопасна ли среда, в которой он живет, хорошо ли функционируют его желудочно-кишечной тракт, почки, печень.

     Биогенных  элементов 2А группы.

Разрушитель костей

1.Бериллий относится к токсичным ультрамикроэлементам. Физиологическая роль бериллия в организме человека изучена недостаточно, однако известно, что бериллий может участвовать в регуляции фосфорно-кальциевого обмена, поддержке иммунного статуса организма.

Суточная потребность организма человека точно не установлена, однако есть данные, что оптимальное среднесуточное поступление бериллия составляет 10–20 мкг.

В организм человека бериллий может попадать как с пищей, так и через легкие. При введении в растворимой форме в желудочно-кишечный тракт бериллий взаимодействует с фосфатами и образует плохо растворимый Be3(PO4)2 или связывается с белками эпителиальных клеток в прочные протеинаты. Поэтому всасываемость бериллия в желудочно-кишечном тракте невелика и колеблется от 4 до 10% от поступившего количества. Следует отметить, что этот показатель зависит также и от кислотности желудочного сока.

Биологическая роль в организме человека. В основном бериллий участвует в обмене магния и фосфора в ткани. Установлено, что активность соединений бериллия отчетливо проявляется в различных биохимических превращениях, связанных с участием неорганических фосфатов.

Синергисты и антагонисты бериллия. Антагонистом бериллия является магний. Магний в организме преимущественно находится внутри клеток, где образует соединения с белками и нуклеиновыми кислотами, содержащими связи Mg–N и Mg–O. Сходство физико-химических характеристик ионов Be2+ и Mg2+ обусловливает их способность к взаимному замещению в таких соединениях. Это объясняет, в частности, ингибирование магнийсодержащих ферментов при попадании в организм бериллия.

Признаки недостаточности бериллия. Научные данные отсутствуют.

Основные проявления избытка бериллия: поражение легочной ткани (фиброз, саркоидоз), поражение кожи – экзема, эритема, дерматоз (при контактах соединений бериллия с кожей), бериллиоз, лихорадка литейная (раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей); эрозии слизистых оболочек желудочно-кишечного тракта, нарушение функций миокарда, печени, развитие аутоиммунных процессов, опухоли.

Бериллий необходим: в древности бериллом (силикат алюминия и бериллия) лечили огромное количество женских заболеваний. Бытовало мнение, что с помощью порошка берилла можно избежать опущения матки, зубной и головной боли, а бериллиевые браслеты защищают от заболеваний яичников и мочевого пузыря. Врачи–литотерапевты современности рекомендуют носить берилл в случае расстройств нервной системы и хронических болезней дыхательной системы

Пищевые источники бериллия: поступление бериллия с пищей и водой незначительно, значительные количества накапливаются в томатах.

Основной путь поступления бериллия в организм – ингаляционный, т.е. через дыхательные пути. У людей, которые работают в условиях, где есть вероятность вдыхания пыли, содержащей бериллий, может развиться профессиональное заболевание – бериллиоз (бериллиевая или химическая пневмония).

2.Магний.

Magnifique - значит великолепный. От этого французского слова получил название элемент периодической таблицы – магний. На открытом воздухе горит это вещество очень эффектно, великолепным ярким пламенем. Отсюда и магний. Однако великолепен магний не только тем, что горит красиво.

Необычайно важна роль магния в организме человека для обеспечения протекания различных жизненных процессов. И, к счастью, с горением это не связано никак. А какие это процессы? Давайте рассмотрим.

Организма человека содержит, в среднем, 20 – 30 миллиграммов магния. 70% этого количества включают в себя кости скелета, остальной объём содержится в мышцах, железах внутренней секреции. Небольшое количество магния присутствует в крови. Магний успокаивает нервную систему, и центральную, и периферическую. Вообще, магний необходим для регулировки равновесия в мышечной и нервной тканях. Магний как бы обеспечивает «внутренний покой» организма.

Магний является кофактором и активатором некоторых ферментов – энолазы, щелочной фосфатазы, карбоксилазы, гексокиназы. Установлено участие магния в фосфорном и углеводном обмене. Элемент оказывает асептическое и сосудорасширяющее действие. Под воздействием соединений магния усиливается перистальтика кишечника, лучше отделяется желчь и выводится холестерин, снижается нервно-мышечная возбудимость. Магний участвует в синтезе белка. Наряду с вышеперечисленным роль магния в организме человека заключается в оказании щелочного действия на органы и ткани.

С участием магния протекает более трёх сотен ферментативных реакций. Особенно активно магний участвует в процессах, которые связаны с утилизацией энергии, в частности, с расщеплением глюкозы и удалением из организма отработанных шлаков и токсинов. В процессах синтеза белка роль магния – производство ДНК. Получено подтверждение, что тиамин (В1), пиридоксин (В6) и витамин С полноценно усваиваются именно в присутствии магния. Благодаря магнию более устойчивой становится структура клеток во время их роста, эффективнее проходит регенерация и обновление клеток тканей и органов. Магний, этот «великолепный» элемент, стабилизирует костную структуру и придаёт костям твёрдость.

Нехватка магния в организме

К сожалению, человек редко обращает внимание на дефицит магния в организме. А между тем, постоянная нехватка магния в организме вызывает масштабные функциональные нарушения во всех органах. О недостаточности магния говорят судороги в мышцах и дрожь, повышенная раздражительность, ухудшение концентрации. Из-за того, что при недостатке магния снижается уровень кальция, возникает остеопороз костей. Нарушение функционирования паращитовидной железы и сбои в работе сердца тоже являются проявлениями недостатка магния. Начальные симптомы нехватки магния заметить несложно – раздражительность и тремор, внезапные головокружения, сопровождаемые потерей равновесия, упомянутые уже мышечные судороги, покалывающие ощущения в ногах, выпадают волосы, повышается ломкость ногтей. Все эти симптомы наблюдаются у алкоголезависимых людей, а так же у тех, кто в больших объёмах употребляет чёрный чай, кофе, чрезмерно солёные или сладкие блюда. Специалисты уверены, что инфаркт людей в возрасте от 30 до 40 лет вызывается именно недостаточным содержанием магния в сердечной мышце. 50%-ная недостаточность магния может привести к летальному исходу.

Установить, грозит ли вам нехватка магния в организме со всеми вытекающими последствиями, сравнительно просто. Необходимо принять вертикальное положение, напрячь мышцы или с усилием потянуться. Болезненные ощущения в лодыжках – первый тревожный «звонок». Необходимо предпринять меры к восстановлению магниевого баланса. Однако не переусердствуйте. Ибо избыток магния в организме вреден не меньше, чем недостаток.

Избыток магния в организме.

Избыточный «запас» магния в тканях и органах создать довольно непросто, ведь магний эффективно отфильтровывается почками. Передозировка магния часто возникает при неумеренном приеме магнийсодержащих лекарственных средств при прохождении курсов терапии.Наиболее распространенные симптомы избытка магния «на глазок» определить достаточно сложно. Очень трудно увидеть, угнетены ли у человек рефлексы и усилены ли тормозные процессы в ЦНС. Остеопороз вообще диагностируется только по рентгеновскому снимку, а брадикардия – по результатам кардиографии. Однако существуют и видимые проявления. Значительный избыток магния в организме подозревается, если человека постоянно тошнит, человек вялый, у него наблюдается тяжёлая диарея, нарушение ритмов сердцебиения.

В каких продуктах содержится магний.

Наиболее богаты магнием орехи, фасоль, да и вообще, семена всех бобовых культур. К примеру, половина стакана свежей фасоли содержит около 150 миллиграммов магния. Тот же объём бобов сои – более 200 миллиграммов. Сваренные овощи – шпинат, ботва свёклы, капуста кольраби тоже богаты магнием. Однако при длительной обработке овощей в большом количестве воды магний вымывается.Наверное, стоит упомянуть, в каких продуктах содержится магний в малых количествах. Это все мучные изделия, содержащие сдобу. Овощи содержат магний в разных количествах, и зависит оно от почв и от внесения удобрений.

Большое количество магния зафиксировано в какао, овсяной крупе, отрубях пшеницы, в сушеных абрикосах, черносливе, салате, укропе, яйцах.

3.Кальций.

Кальций играет огромную роль в жизнедеятельности человеческого организма. Можно смело сказать, что из всех элементов - кальций является главным, не только в количественном, но и в функциональном отношении. В организме человека содержится 1000-1200 г кальция, 99% - включено в костную ткань, дентин, эмаль зубов, а 1% играет исключительно важную роль как внутриклеточный кальций, кальций крови и тканевой жидкости. Понятно, что кальций играет важнейшую роль в формировании костей. Кальций участвует в процессах передачи нервных импульсов, обеспечивает равновесие между процессами возбуждения и торможения в коре головного мозга, участвует в регуляции сократимости скелетных мышц и мышцы сердца, влияет на кислотно-щелочное равновесие организма, активность рада ферментов.Он является также важным элементом буферной системы организма, поддерживающей рН (водородный показатель) на необходимом для каждой системы и среды организма уровне. рН крови одна из самых жестких физиологических констант организма. В норме этот показатель может меняться в пределах 7,4 (±0,02). Сдвиг этого показателя хотя бы на 0,1 может привести к тяжелой патологии. При сдвиге рН крови на 0,2 развивается коматозное состояние, на 0,3-человек погибает.Человеческий организм на 70% состоит из воды, поэтому все вещества, изменяющие ее состав и кислотность, оказывают глобальное воздействие на организм в целом. Практически все жидкости, находящиеся в системе человеческого организма, являются либо нейтральными, либо слабощелочными, за исключением желудочного сока: рН желудочного сока составляет 1,0; здоровой крови - 7,4; здоровой лимфы - 7,5; слюны - 7,4.