Биогенные s-, р-, d- элементы. Биологическая роль и значение их в медицине Лектор ассистент кафедры фармацевтической химии Бурмас Наталья Ивановна e-mail: - презентация

Введение.

Элементный состав организмов.

Молекулы и ионы, входящие в состав организма человека, их содержание и функции.

Уровни структурной организации химических соединений живых организмов.

Общие закономерности обмена веществ и энергии в организме человека.

Особенности протекания обменных процессов при различных состояниях организма.

Введение. Чем занимается биохимия?

Биохимия изучает химические процессы, происходящие в живых системах. Иначе говоря, биохимия изучает химию жизни. Наука эта относительно молодая. Она родилась в 20 веке. Условно курс биохимии можно разделить на три части.

Общая биохимия занимается общими закономерностями химического состава и обмена веществ разных живых существ от мельчайших микроорганизмов и кончая человеком. Оказалось, что эти закономерности во многом повторяются.

Частная биохимия занимается особенностями химических процессов, протекающих у отдельных групп живых существ. Например, биохимические процессы у растений, животных, грибов и микроорганизмов имеют свои особенности, причем, в ряде случаев очень существенные.

Функциональная биохимия занимается особенностями биохимических процессов протекающих в отдельных организмах, связанных с особенностями их образа жизни. Направление функциональной биохимии, исследующее влияние физических упражнений на организм спортсмена называетсябиохимией спорта или спортивной биохимией .

Развитие физической культуры и спорта требует от спортсменов и тренеров хороших знаний в области биохимии. Это связано с тем, что без понимания того, как работает организм на химическом, молекулярном уровне трудно надеяться на успех в современном спорте. Многие методики тренировки и восстановления базируются в наше время именно на глубоком понимании того, как работает организм на субклеточном и молекулярном уровне. Без глубокого понимания биохимических процессов невозможно бороться и допингом – злом, которое может погубить спорт.

1. Элементный состав организмов

Организм человека включает химические элементы, которые встречаются также и в неживой природе. Однако по количественному составу химических элементов живые организмы существенно отличаются от неживой природы. Так, например, количественное содержание железа и кремния в неживой природе существенно выше, чем в живых организмах. Характерной отличительной чертой живых организмов является высокое содержание углерода, что связано с преобладанием в них органических соединений.

Человеческий организм состоит из структурных элементов: С-углерод, О-кислород, Н-водород, N-азот, Ca-кальций, Mg-магний, Na-натрий, K-калий, S-сера, P-фосфор, Cl-хлор. Например, Н 2 О, молекула воды, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. 70-80% организма человека состоит из воды. Однако жидкости в теле человека, в его клетках, его крови включают кроме воды 0,9% поваренной соли NaCl, молекула которой состоит из натрия и хлора. Все биохимические процессы происходят именно в 0,9% водном растворе поваренной соли, который называют физиологическим раствором. Поэтому даже лекарства для уколов и капельниц растворяют в физиологическом растворе.

В организме человека содержится около 3 кг минеральных веществ, что составляет 4% массы тела. Минеральный состав организма очень разнообразен и в нем можно обнаружить почти всю таблицу Менделеева.

Минеральные вещества распределены в организме крайне неравномерно. В крови, мышцах, внутренних органах содержание минеральных веществ низкое – около 1%. А вот в костях на долю минеральных веществ приходится около половины массы. Эмаль зубов на 98% состоит из минеральных веществ.

Формы существования минеральных веществ в организме также разнообразны.

Во-первых в костях они встречаются в форме нерастворимых солей.

Во-вторых, минеральные элементы могут входить в состав органических соединений.

В-третьих, минеральные элементы могут находиться в организме в виде ионов.

Суточная потребность в минеральных веществах невелика и поступают они в организм с пищей. Их количества обычно в пище достаточно. Однако в редких случаях их может не хватать. Например, в некоторых местностях не хватает йода, в других избыток магния и кальция.

Выводятся из организма минеральные вещества тремя путями в составе мочи, кишечником – в составе кала и с потом – кожей.

Биологическая роль этих веществ этих веществ очень разнообразна.

В организме человека и животных обнаружен около 90 элементов таблицы Д.И. Менделеева. Биогенные химические элементы – химические элементы, присутствующие в живых организмах. По количественному содержанию их принято подразделять на несколько групп:

Макроэлементы.

Микроэлементы.

Ультрамикроэлементы.

Если массовая доля элемента в организме превышает 10 -2 %, то его следует считатьмакроэлементом . Долямикроэлементов в организме составляет 10 -3 -10 -5 %. Если содержание элемента ниже 10 -5 %, его считаютультрамикроэлементом . Конечно, такая градация условна. По ней магний попадает в промежуточную область между макро- и микроэлементами.

Минеральные вещества в организме человека находятся в разном состоянии. В соответствии с этим проявляется и их дей­ствие.

Одна из форм - это когда они являются составной частью органических веществ. Так, например, сера вхо­дит в состав аминокислот цистеина и метионина, железо являет­ся составной частью гемоглобина, йод - гормона щитовидной железы - тироксина, фосфор присутствует в разнообразных ор­ганических соединениях - ATФ, АДФ, других нуклеотидах, нук­леиновых кислотах, фосфатидах (лецитины и кефалины), раз­личных эфирах с гексозами, триозами и т. д.

Вторая форма - это прочные нерастворимые от­ложения солей углекислого, фосфорнокислого кальция и маг­ния, фтористых и других солей в твердых тканях - в костях, зу­бах, рогах, копытах, пере и т. д. Они составляют их минераль­ный остов.

И третья форма - минеральные вещества, растворённые в тканевых жидкостях. Эта группа мине­ральных веществ обеспечивает ряд условий, необходимых для сохранения процессов жизнедеятельности организма. К числу этих условий относятся осмотическое давление, реакция среды, коллоидное состояние белков, состояние нервной системы и т. д. Эти условия в свою очередь зависят от количества минеральных элементов, их соотношения и качественных особенностей по­следних.

Все многообразие веществ животного и растительного мира построено из сравнительно небольшого количества исходных составных частей. Это химические элементы и химические вещества. Из 107 известных химических элементов в живых организмах обнаружено 60, однако в концентрациях, позволяющих не считать этот элемент случайной примесью, только 22. Все химические элементы, встречающиеся в живых организмах, в соответствии с их концентрацией в клетках делят на три группы:

Макроэлементы: C, H, O, N, P, S, Cl, Na, K, Ca.

На их долю приходится более 0,01%. Количество макроэлементов показано в таблице; Микроэлементы: Fe, Mg, Zn, Cu, Co, J, Br, V, F, Mo, Al, Si и др.

На их долю приходится от 0,01 до 0,000001%;

Ультрамикроэлементы: Hg, Au, Ag, Ra и др. На их долю приходится менее 0,000001%.

Макроэлементы составляют около 99,9% массы клетки и могут быть подразделены на две группы.Главные биогенные химические элементы (кислород, углерод, водород, азот) составляют 98% от массы всех живых клеток. Они составляют основу органических соединений, а также образуют воду, которая присутствует во всех живых системах в значительных количествах.Во вторую группу макроэлементов входят фосфор, калий, сера, хлор, кальций, магний, натрий, железо, в сумме составляющие 1,9%. Они крайне важны для обеспечения жизнедеятельности организмов, без них невозможно существование любых живых существ.

Натрий и калий находятся в организме в виде ионов. Ионы натрия содержатся вне клеток, а ионы калия сосредоточены внутри клетки. Эти ионы играют важную роль в создании осмотического давления и клеточного потенциала, необходимы для нормальной работы миокарда.

Калий . Около 90% калия находится внутри клеток. Он вместе с другими солями обеспечивает осмотическое давление; участвует в передаче нервных импульсов;регуляции водно-солевого обмена; способствует выведению воды, а, следовательно, и шлаков из организма; поддерживает кислотно-щелочное равновесие внутренней среды организма; участвует в регуляции деятельности сердца и других органов; необходим для функционирования ряда ферментов.

Калий хорошо всасывается из кишечника, а его избыток быстро удаляется из организма с мочой. Суточная потребность в калии взрослого человека составляет 2000-4000 мг. Она увеличивается при обильном потоотделении, при употреблении мочегонных средств, заболеваниях сердца и печени. Калий не является дефицитным нутриентом в питании, и при разнообразном питании недостаточность калия не возникает. Дефицит калия в организме появляется при нарушении функции нервно-мышечной и сердечно-сосудистой систем, сонливости, снижении артериального давления, нарушении ритма сердечной деятельности. В таких случаях назначается калиевая диета.

Большая часть калия поступает в организм с растительными продуктами. Богатыми источниками его являются урюк, чернослив, изюм, шпинат, морская капуста, фасоль, горох, картофель, другие овощи и плоды (100 - 600 мг/100 г продукта). Меньше калия содержится в сметане, рисе, хлебе из муки высшего сорта (100 - 200 мг/100 г).

Натрий содержится во всех тканях и биологических жидкостях организма. Он участвует в поддержании осмотического давления в тканевых жидкостях и крови;в передаче нервных импульсов; регуляции кислотно-щелочного равновесия, водно-солевого обмена; повышает активность пищеварительных ферментов.

Кальций и магний находятся в основном в косной ткани в виде нерастворимых солей. Эти соли придают костям твердость. Кроме того в ионном виде они играют важную роль в сокращении мышц.

Кальций. Это основной структурный компонент костей и зубов; входит в состав ядер клеток, клеточных и тканевых жидкостей, необходим для свертывания крови. Кальций образует соединения с белками, фосфолипидами, органическими кислотами; участвует в регуляции проницаемости клеточных мембран, в процессах передачи нервных импульсов, в молекулярном механизме мышечных сокращений, контролирует активность ряда ферментов. Таким образом, кальций выполняет не только пластические функции, но и влияет на многие биохимические и физиологические процессы в организме.

Кальций относится к трудноусвояемым элементам. Поступающие в организм человека с пищей соединения кальция практически не растворимы в воде. Щелочная среда толстого кишечника способствует образованию трудноусвояемых соединений кальция, и лишь воздействие желчных кислот обеспечивает его всасывание.

Ассимиляция кальция тканями зависит не только от содержания его в продуктах, но и от соотношения его с другими компонентами пищи и, в первую очередь, с жирами, магнием, фосфором, белками. При избытке жиров возникает конкуренция за желчные кислоты и значительная часть кальция выводится из организма через толстый кишечник. На всасывание кальция отрицательно сказывается избыток магния; рекомендуемое соотношение этих элементов составляет 1: 0,5. Наиболее крепкие кости получаются при соотношении Ca:P - 1:1,7.Приблизительно такое соотношение в клубнике и грецких орехах.Если количество фосфора превышает уровень кальция в пище более чем в 2 раза, то образуются растворимые соли, которые извлекаются кровью из костной ткани. Кальций поступает в стенки кровеносных сосудов, что обуславливает их ломкость, а также в ткани почек, что может способствовать возникновению почечно-каменной болезни. Для взрослых рекомендовано соотношение кальция и фосфора в пище 1:1,5. Трудность соблюдения такого соотношения обусловлена тем, что большинство широко потребляемых продуктов значительно богаче фосфором, чем кальцием. Отрицательное влияние на усвоение кальция оказывает фитин и щавелевая кислота, содержащиеся в ряде растительных продуктов. Эти соединения образуют с кальцием нерастворимые соли.

Суточная потребность в кальции взрослого человека составляет 800 мг, а у детей и подростков - 1000 мг и более.

При недостаточном потреблении кальция или при нарушении всасывания его в организме (при недостатке витамина D) развивается состояние кальциевого дефицита. Наблюдается повышенное выведение его из костей и зубов. У взрослых развивается остеопороз - деминерализация костной ткани, у детей нарушается становление скелета, развивается рахит.

Лучшими источниками кальция являются молоко и молочные продукты, различные сыры и творог (100-1000 мг/100 г продукта), зеленый лук, петрушка, фасоль. Значительно меньше кальция содержится в яйцах, мясе, рыбе, овощах, фруктах, ягодах (20-40 мг/100 г продукта).

Магний. ,

При недостатке магния нарушается усвоение пищи, задерживается рост, в стенках сосудов откладывается кальций, развивается ряд других патологических явлений. У человека недостаток ионов магния, обусловленный характером питания, крайне маловероятен. Однако большие потери этого элемента могут происходить при диарее

Фосфор играет в организме важную роль. Он является составной частью солей, входящих в кости. Фосфорная кислота играет исключительно важную роль в энергетическом обмене. Фосфор. Фосфор входит в состав всех тканей организма, особенно мышц и мозга. Этот элемент принимает участие во всех процессах жизнедеятельности организма: синтезе и расщеплении веществ в клетках; регуляции обмена веществ; входит в состав нуклеиновых кислот и ряда ферментов; необходим для образования АТФ.

В тканях организма и пищевых продуктах фосфор содержится в виде фосфорной кислоты и ее органических соединений (фосфатов). Основная его масса находится в костной ткани в виде фосфорнокислого кальция, остальной фосфор входит в состав мягких тканей и жидкостей. В мышцах происходит наиболее интенсивный обмен соединений фосфора. Фосфорная кислота участвует в построении молекул многих ферментов, нуклеиновых кислот и т. д.

При длительном дефиците фосфора в питании организм использует собственный фосфор из костной ткани. Это приводит к деминерализации костей и нарушению их структуры - разрежению. При обеднении организма фосфором снижается умственная и физическая работоспособность, отмечается потеря аппетита, апатия.

Суточная потребность в фосфоре для взрослых составляет 1200 мг. Она возрастает при больших физических или умственных нагрузках, при некоторых заболеваниях.

Большое количество фосфора содержится в продуктах животного происхождения, особенно в печени, икре, а также в зерновых и бобовых. Его содержание в этих продуктах составляет от 100 до 500 мг в 100 г продукта. Богатым источником фосфора являются крупы (овсяная, перловая), в них содержится 300-350 мг фосфора/100 г. Однако из растительных продуктов соединения фосфора усваиваются хуже, чем при потреблении пищи животного происхождения.

Сера. Значение этого элемента в питании определяется, в первую очередь, тем, что он входит в состав белков в виде серосодержащих аминокислот(метионина и цистина), а также является составной частью некоторых гормонов и витаминов.

Как компонент серосодержащих аминокислот сера участвует в процессах белкового обмена, причем потребность в ней резко возрастает в период беременности и роста организма, сопровождающихся активным включением белков в образующиеся ткани, а также при воспалительных процессах. Серосодержащие аминокислоты, особенно в сочетании с витаминами С и Е, оказывают выраженное антиоксидантное действие. Наряду с цинком и кремнием сера определяет функциональное состояние волос и кожи.

Хлор. Этот элемент участвует в образовании желудочного сока, формировании плазмы, активирует ряд ферментов. Этот нутриент легко всасывается из кишечника в кровь. Интересна способность хлора отлагаться в коже, задерживаться в организме при избыточном поступлении, выделяться с потом в значительных количествах. Выделение хлора из организма происходит главным образом с мочой (90%) и потом.

Нарушения в обмене хлора ведут к развитию отеков, недостаточной секреции желудочного сока и др. Резкое уменьшение содержания хлора в организме может привести к тяжелому состоянию, вплоть до смертельного исхода. Повышение его концентрации в крови наступает при обезвоживании организма, а также при нарушении выделительной функции почек.

Суточная потребность в хлоре составляет примерно 5000 мг. Хлор поступает в организм человека в основном в виде хлористого натрия при добавлении его в пищу.

Магний. Этот элемент необходим для активности ряда ключевых ферментов, обеспечивающих метаболизм организма. Магний участвует в поддержании нормальной функции нервной системы и мышцы сердца; оказывает сосудорасширяющее действие; стимулирует желчеотделение; повышает двигательную активность кишечника, что способствует выведению шлаков из организма (в том числе холестерина).

Усвоению магния мешают наличие фитина и избыток жиров и кальция в пище. Ежедневная потребность в магнии точно не определена; считают, однако, что доза 200-300 мг/сут предотвращает проявление недостаточности (предполагается, что всасывается около 30% магния).

При недостатке магния нарушается усвоение пищи, задерживается рост, в стенках сосудов откладывается кальций.

Железо входит в составгема, составной части гемоглобина. Этот элемент необходим для биосинтеза соединений, обеспечивающих дыхание, кроветворение; он участвует в иммунобиологических и окислительно-восстановительных реакциях; входит в состав цитоплазмы, клеточных ядер и ряда ферментов.

Ассимиляции железа препятствует щавелевая кислота и фитин. Для усвоения этого нутриента необходим витамин В 12 .Усвоению железа способствует также аскорбиновая кислота, поскольку железо всасывается в виде двухвалентного иона.

Недостаток железа в организме может привести к развитию анемии, нарушаются газообмен, клеточное дыхание, то есть фундаментальные процессы обеспечивающие жизнь. Развитию железодефицитных состояний способствуют: недостаточное поступление в организм железа в усвояемой форме, понижение секреторной активности желудка, дефицит витаминов (особенно В 12 , фолиевой и аскорбиновой кислот) и ряд заболеваний, вызывающих кровопотери. Потребность взрослого человека в железе (14 мг/сут) с избытком удовлетворяется обычным рационом.Однако при использовании в пище хлеба из муки тонкого помола, содержащего мало железа, у городских жителей весьма часто наблюдается дефицит железа. При этом следует учесть, что зерновые продукты, богатые фосфатами и фитином, образуют с железом труднорастворимые соединения и снижают его ассимиляцию организмом.

Железо - широко распространенный элемент. Он содержится в субпродуктах, мясе, яйцах, фасоли, овощах, ягодах. Однако в легкоусвояемой форме железо содержится только в мясных продуктах, печени (до 2000 мг/100 г продукта), яичном желтке.

Микроэлементы (марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, фтор) составляют менее 0,1% от массы живых организмов. Однако эти элементы необходимы для жизни организмов. Микроэлементы содержатся в сверхмалых концентрациях. Их потребность в сутки составляет микрограммы, то есть миллионные доли грамма. Из них есть незаменимые и условно незаменимые.

Незаменимые: Ag-серебро, Co-кобальт, Cu-медь, Cr-хром, F-фтор, Fe - железо, I -йод, Li - литий, Mn - марганец, Mo - молибден, Ni - никель, Se - селен, Si - кремний, V - ванадий, Zn - цинк.

Условно незаменимые: B - бор, Br - бром.

Возможно незаменимые: Al - алюминий, As - мышьяк, Сd - кадмий, Pb - свинец, Rb - рубидий.

Марганец оказывает благоприятное воздействие на нервную систему, способствует выработке нейромедиаторов - веществ, ответственных за передачу импульсов между волокнами нервной ткани, также способствует нормальному развитию костей, укрепляет иммунную систему, способствует нормальному протеканию пищеварительного процесса инсулинового и жирового обменов. К тому же, процесс обмена витаминов А, С и группы В может нормально происходить только в том случае, когда в организме присутствует достаточное количество марганца. Благодаря марганцу обеспечивается нормальный процесс образования и роста клеток, рост и восстановление хрящей, быстрейшее заживление тканей, хорошая работа головного мозга и правильный обмен веществ, обладает отличными антиоксидантными свойствами. Этот элемент регулирует баланс сахара в крови, а также способствует нормальному процессу образования молока у кормящих женщин. Оптимальное содержание марганца можно обеспечить благодаря употреблению сырых овощей, фруктов и зелени.

Роль меди в организме огромна. Прежде всего, она принимает активное участие в построении многих необходимых нам белков и ферментов, а также в процессах роста и развития клеток и тканей. Медь необходима для нормального процесса кроветворения и работы иммунной системы.Медь - входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов.

Цинк - входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в составинсулина

Кобальт влияет на физиологическое и патофизиологическое состояние организма человека. Есть сведения о влиянии его на метаболизм углеводов и липидов, на функцию щитовидной железы, состояние миокарда. В состав витамина В12 входит кобальт.

Для организма человека и животных никель – необходимый питательный элемент, но учёные немного знают о его биологической роли. В животных и растительных организмах он участвует в ферментативных реакциях, а у птиц накапливается в перьях. У нас он содержится в печени и почках, поджелудочной железе, гипофизе и лёгких. Никель влияет на процессы кроветворения, сохраняет структуру нуклеиновых кислот и клеточных мембран; участвует в обмене витаминов С и В12, кальция и других веществ.

Йод очень важен для нормального роста и развития детей и подростков: он участвует в образовании костно-хрящевой ткани, синтезе белка, стимулирует умственные способности, улучшает работоспособность и уменьшает утомляемость. В организме йод участвует в процессе синтеза тироксина и трийодтиронина – гормонов, необходимых для нормальной работы щитовидной железы.

Фтор нужен для формирования эмали зубов, йод входит в состав гормонов щитовидной железы, кобальт является составной частью витамина В12.

К ультрамикроэлементам относятся большое количество химических элементов (литий, кремний, олово, селен, титан, ртуть, золото, серебро и многие другие), которые суммарно составляют менее 0,01% массы клетки. Для ряда из ультрамикроэлементов установлено их биологическое значение, для других нет. Возможно накопление некоторых из них в клетках и тканях человека и других организмов является случайным и связано с антропогенным загрязнением окружающей среды. С другой стороны, возможно, что биологическое значение ряда ультрамикроэлементов еще не выявлено.

Литий способствует снижению нервной возбудимости, улучшает общее состояние при заболеваниях нервной системы, оказывает антиаллергическое и антианафилактическое действие, имеет некоторое влияние на нейроэндокринные процессы, принимает участие в углеводном и липидном обменах, повышает иммунитет, нейтрализует действие радиации и солей тяжелых металлов на организм, а также действие этилового спирта.

Кремний участвует в усвоении организмом более 70 минеральных солей и витаминов, способствует усвоению кальция и росту костей, предупреждает остеопороз, стимулирует иммунную систему. Кремний необходим для здоровья волос, улучшает состояние ногтей и кожи, укрепляет соединительные ткани и сосуды, снижает риск сердечно-сосудистых заболеваний, укрепляет суставы - хрящи и сухожилия.

Известно, что олово улучшает процессы роста, является одним из составляющих желудочного фермента гастрина, воздействует на активность флавиновых ферментов (биокатализаторы некоторых окислительно-восстановительных реакций в организме), играет существенную роль в правильном развитии костных тканей.

Селен - участвует в регуляторных процессах организма. Селен, входя в состав фермента глютатионпероксидазы препятствует оседанию тромбов на стенках сосудов, благодаря чему является антиоксидантом и препятствует развитию атеросклероза. Не так давно выяснено, что недостаток селена приводит к развитию онкологических заболеваний.

Титан является постоянной составной частью организма и выполняет определенные жизненно важные функции: повышает эритропоэз, катализирует синтез гемоглобина, иммуногенез, стимулируют фагоцитоз и активируют реакции клеточного и гуморального иммунитета.

Ртуть обладает определенным биотическим эффектом и оказывает стимулирующее действие на процессы жизнедеятельности (в количествах, соответствующих физиологическим, т. е. нормальным для человека, концентрациям). Есть сведения о присутствии ртути в ядерной фракции живых клеток и о значении этого металла в реализации информации, заложенной в ДНК, и ее передаче при помощи транспортных РНК. Говоря проще, полное удаление ртути из организма, видимо, нежелательно, и те самые 13 мг, «заложенные» в нас природой, должны всегда содержаться в человеке (что, кстати, вполне согласуется с упомянутым выше законом Кларка-Вернадского о всеобщем рассеянии элементов).

Золото и серебро оказывают бактерицидное воздействие Многие микроэлементы и ультрамикроэлементы в больших количествах токсичны для человека.

Недостаток или избыток в питании каких-либо минеральных веществ вызывает нарушение обмена белков, жиров, углеводов, витаминов, что приводит к развитию ряда заболеваний. Наиболее распространенным следствием несоответствия в рационе количества кальция и фосфора является кариес зубов, разрежение костной ткани. При недостатке фтора в питьевой воде разрушается зубная эмаль, дефицит йода в пище и воде приводит к заболеваниям щитовидной железы. Таким образом, минеральные вещества очень важны для устранения и профилактики ряда заболеваний.

В представленных таблицах приведены характерные (типичные) симптомы при дефиците различных химических элементов в организме человека:

В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 5.2). Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержание в нем находится в относительном постоянстве.

Роль минеральных веществ в организме человека чрезвычайно разнообразна, несмотря на то, что они не являются обязательным компонентом питания. Минеральные вещества содержатся в протоплазме и биологических жидкостях, играют основную роль в обеспечении постоянства осмотического давления, что является необходимым условием для нормальной жизнедеятельности клеток и тканей. Они входят в состав сложных органических соединений (например, гемоглобина, гормонов, ферментов), являются пластическим материалом для построения костной и зубной ткани. В виде ионов минеральные вещества участвуют в передаче нервных импульсов, обеспечивают свертывание крови и другие физиологические процессы организма.

Ионы макро -и микроэлементов активно транспортируютсяферментами через клеточную мембрану. Только в составе ферментов ионы макро- и микроэлементы могут выполнять свою функцию. Поэтому пищевые продукты и лекарственные травы предпочтительнее химиотерапевтическим препаратам для лечения гипомикроэлементоза. К тому же, если учесть, что из продуктов и растений человеческий организм берет микроэлемента ровно столько, сколько ему нужно, это помогает избежать гипермикроэлементоза. А превышение макро- и микроэлементов в организме бывает гораздо опаснее, чем их недостаток. При применении химических препаратов кальция типичным является отложение кальция в молочных железах, желчном пузыре, печени, почках, в общем, везде, где угодно, но не в костях

Ферменты - это маленькие частицы, которые активно обеспечивают работу всех функциональных систем. Они производят пищеварение, например, амилаза (диастаза) слюны переваривает крахмалы картофеля и злаков, липаза поджелудочной железы переваривает жиры, химотрипсин переваривает белки и т.д. Кроме того, ферменты «перетягивают» нужные вещества через клеточные мембраны, например, в почках осуществляется активный транспорт ионов кальция, натрия, хлора и других, а, следовательно, они регулируют кальциевый состав костей и артериальное давление. Фермент лизоцим «убивает» вредные микробы. Фермент цитохром Р-450 участвует во многих биохимических реакциях, например, разлагает химические лекарства и выводит их из клеток, окисляет холестерин до стероидных гормонов (т.е. производит гормоны) и т.д. Этих маленьких работяг, - ферментов, - в организме тысячи видов, и нет никаких биохимических и физиологических преобразований, в которых они бы не участвовали. Как и функциональный элемент микроциркуляции органа, так ифермент - это первичный элемент, первооснова любых процессов, и это должно всегда учитываться в лечении болезни. Очень важно знать, что в химическом лекарстве нет ферментов, а в травах и продуктах они есть. Например, корни хрена содержат фермент лизоцим. Кроме того, ферменты есть в меде, например, инвертаза, диастаза, каталаза, фосфатаза, пероксидаза, липаза и т.д. Мед нежелательно растапливать и нагревать выше 38 0 , потому что тогда ферменты распадаются.

В состав фермента входит несколько молекул белка, соединенных между собой и представляющих в микромире огромный размер и две маленьких части, одна из них - витамин, вторая - микроэлемент. Именно потому лечение травами предпочтительнее химии, что трава содержит и белки, и витамины, и микроэлементы, - этот гармоничный состав фермента создан Творцом. В натуральных продуктах, например, в меде, содержатся все 22 незаменимые аминокислоты, которые нужны для синтеза белков. В меде имеются макроэлементы, все незаменимые микроэлементы кроме фтора, йода и селена, а также почти все условно незаменимые микроэлементы. И наоборот, химические лекарства, вырабатываемые промышленностью, особым непостижимым образом связаны с отцом промышленности Каином. И следствием подобной связи является лишение фармакологических средств, состоящих из одной химической формулы, всего богатства мира, созданного Творцом, одной из маленьких трудолюбивых первочастиц которого являетсяфермент .

Изучение химии живых организмов, т. е. биохимии , тесно связано с общим бурным развитием биологии в XX в. Значение биохимии заключается в том, что она дает фундаментальное понимание физиологии, иными словами, понимание того, как работают биологические системы.

Это в свою очередь находит применение в сельском хозяйстве (создание пестицидов, гербицидов и т. п.); в медицине (включая всю фармацевтическую промышленность); в различных бродильных производствах, которые поставляют нам широкий ассортимент продуктов, в том числе и хлебо-булочных изделий; наконец во всем, что связано с пищей и питанием, т. е. в диететике, в технологии производства пищевых продуктов и в науке об их хранении. С биохимией связано и появление ряда новых перспективных направлений в биологии, таких как генная инженерия, биотехнология или молекулярный подход к изучению генетических болезней.

Биохимия играет также важную объединяющую роль в биологии. При рассмотрении живых организмов на биохимическом уровне чаще бросаются в глаза не столько различия между ними, сколько их сходство.

Элементы, содержащиеся в живых организмах

В земной коре встречается около 100 химических элементов , но только 16 из них необходимы для жизни. Наиболее распространены в живых организмах (в порядке убывающего числа атомов) четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот.

На их долю приходится более 90% как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Однако в земной первые четыре места по распространенности занимают кислород, кремний, алюминий и натрий. Биологическое значение водорода, кислорода, азота и углерода связано в основном с их валентностью, равной соответственно 1, 2, 3 и 4, а также с их способностью образовывать более прочные ковалентные связи, нежели у других элементов той же валентности.

Тема: «БИОХИМИЯ КРОВИ. ПЛАЗМА КРОВИ: КОМПОНЕНТЫ И ИХ ФУНКЦИИ. МЕТАБОЛИЗМ ЭРИТРОЦИТОВ. ЗНАЧЕНИЕ БИОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА КРОВИ В КЛИНИКЕ»

1. Белки плазмы крови: биологическая роль. Содержание белковых фракций в плазме. Изменения белкового состава плазмы при патологических состояниях (гиперпротеинемия, гипопротеинемия, диспротеинемия, парапротеинемия).
2. Белки острой фазы воспаления: биологическая роль, примеры белков.
3. Липопротеиновые фракции плазмы крови: особенности состава, роль в организме.
4. Иммуноглобулины плазмы крови: основные классы, схема строения, биологические функции. Интерфероны: биологическая роль, механизм действия (схема).
5. Ферменты плазмы крови (секреторные, экскреторные, индикаторные): диагностическое значение исследования активности аминотрансфераз (АЛТ и АСТ), щелочной фосфатазы, амилазы, липазы, трипсина, изоферментов лактатдегидрогеназы, креатинкиназы.
6. Небелковые азотсодержащие компоненты крови (мочевина, аминокислоты, мочевая кислота, креатинин, индикан, прямой и непрямой билирубин): строение, биологическая роль, диагностическое значение их определения в крови. Понятие об азотемии.
7. Безазотистые органические компоненты крови (глюкоза, холестерол, свободные жирные кислоты, кетоновые тела, пируват, лактат), диагностическое значение их определения в крови.
8. Особенности строения и функции гемоглобина. Регуляторы сродства гемоглобина к О2 . Молекулярные формы гемоглобина. Производные гемоглобина. Клинико-диагностическое значение определения гемоглобина в крови.
9. Метаболизм эритроцита: роль гликолиза и пентозофосфатного пути в зрелых эритроцитах. Глутатион: роль в эритроцитах. Ферментные системы, участвующие в обезвреживании активных форм кислорода.
10. Свёртывание крови как каскад активации проферментов. Внутренний и внешний пути свёртывания. Общий путь свёртывания крови: активация протромбина, превращение фибриногена в фибрин, образование фибрина-полимера.
11. Участие витамина К в посттрансляционной модификации факторов свёртывания крови. Дикумарол как антивитамин К.

30.1. Состав и функции крови.

Кровь - жидкая подвижная ткань, циркулирующая в замкнутой системе кровеносных сосудов, транспортирующая различные химические вещества к органам и тканям, и осуществляющая интеграцию метаболических процессов, протекающих в различных клетках.

Кровь состоит из плазмы и форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов). Сыворотка крови отличается от плазмы отсутствием фибриногена. 90% плазмы крови составляет вода, 10% - сухой остаток, в состав которого входят белки, небелковые азотистые компоненты (остаточный азот), безазотистые органические компоненты и минеральные вещества.

30.2. Белки плазмы крови.

Плазма крови содержит сложную многокомпонентную (более 100) смесь белков, различающихся по происхождению и функциям. Большинство белков плазмы синтезируется в печени. Иммуноглобулины и ряд других защитных белков иммунокомпетентными клетками.

30.2.1. Белковые фракции. При помощи высаливания белков плазмы можно выделить альбуминовую и глобулиновую фракции. В норме соотношение этих фракций составляет 1,5 - 2,5. Использование метода электрофореза на бумаге позволяет выявить 5 белковых фракций (в порядке убывания скорости миграции): альбумины, α1 -, α2 -, β- и γ-глобулины. При использовании более тонких методов фракционирования в каждой фракции, кроме альбуминовой, можно выделить целый ряд белков (содержание и состав белковых фракций сыворотки крови см. рисунок 1).

Рисунок 1. Электрофореграмма белков сыворотки крови и состав белковых фракций.

Альбумины - белки с молекулярной массой около 70000 Да. Благодаря гидрофильности и высокому содержанию в плазме играют важную роль в поддержании коллоидно-осмотического (онкотического) давления крови и регуляции обмена жидкостей между кровью и тканями. Выполняют транспортную функцию: осуществляют перенос свободных жирных кислот, желчных пигментов, стероидных гормонов, ионов Са2 + , многих лекарств. Альбумины также служат богатым и быстро реализуемым резервом аминокислот.

α1 -Глобулины:

• Кислый α1 -гликопротеин (орозомукоид) - содержит до 40% углеводов, изоэлектрическая точка его находится в кислой среде (2,7). Функция этого белка до конца не установлена; известно, что на ранних стадиях воспалительного процесса орозомукоид способствует образованию коллагеновых волокон в очаге воспаления (Я.Мусил, 1985).
• α1 -Антитрипсин - ингибитор ряда протеаз (трипсина, химотрипсина, калликреина, плазмина). Врождённое снижение содержания α1 -антитрипсина в крови может быть фактором предрасположенности к бронхо-лёгочным заболеваниям, так как эластические волокна лёгочной ткани особенно чувствительны к действию протеолитических ферментов.
• Ретинолсвязывающий белок осуществляет транспорт жирорастворимого витамина А.
• Тироксинсвязывающий белок - связывает и транспортирует иодсодержащие гормоны щитовидной железы.
• Транскортин - связывает и транспортирует глюкокортикоидные го рмоны (кортизол, кортикостерон).

α2 -Глобулины:

• Гаптоглобины (25% α2 -глобулинов) - образуют стабильный комплекс с гемоглобином, появляющимся в плазме в результате внутрисосудистого гемолиза эритроцитов. Комплексы гаптоглобин-гемоглобин поглощаются клетками РЭС, где гем и белковые цепи подвергаются распаду, а железо повторно используется для синтеза гемоглобина. Тем самым предотвращается потеря железа организмом и повреждение почек гемоглобином.
• Церулоплазмин - белок, содержащий ионы меди (одна молекула церулоплазмина содержит 6-8 ионов Cu2+ ), которые придают ему голубую окраску. Является транспортной формой ионов меди в организме. Обладает оксидазной активностью: окисляет Fe2+ в Fe3+ , что обеспечивает связывание железа трансферрином. Способен окислять ароматическиеамины, участвует в обмене адреналина, норадреналина, серотонина.

β-Глобулины:

• Трансферрин - главный белок β-глобулиновой фракции, участвует в связывании и транспорте трёхвалентного железа в различные ткани, особенно в кроветворные. Трансферрин регулирует содержание Fe3+ в крови, предотвращает избыточное накопление и потерю с мочой.
• Гемопексин - связывает гем и предотвращает его потерю почками. Комплекс гем-гемопексин улавливается из крови печенью.
• С-реактивный белок (С-РБ) - белок, способный преципитировать (в присутствии Са2 + ) С-полисахарид клеточной стенки пневмококка. Биологическая роль его определяется способностью активировать фагоцитоз и ингибировать процесс агрегации тромбоцитов. У здоровых людей концентрация С-РБ в плазме ничтожно мала и стандартными методами не определяется. При остром воспалительном процессе она увеличивается более чем в 20 раз, в этом случае С-РБ обнаруживается в крови. Исследование С-РБ имеет преимущество перед другими маркерами воспалительного процесса: определением СОЭ и подсчётом числа лейкоцитов. Данный показатель более чувствителен, его увеличение происходит раньше и после выздоровления быстрее возвращается к норме.

γ-Глобулины:

• Иммуноглобулины (IgA, IgG, IgM, IgD, IgE) представляют собой антитела, вырабатываемые организмом в ответ на введение чужеродных веществ с антигенной активностью. Подробнее об этих белках см. 1.2.5.

30.2.2. Количественные и качественные изменения белкового состава плазмы крови. При различных патологических состояниях белковый состав плазмы крови может изменяться. Основными видами изменений являются:

• Гиперпротеинемия - увеличение содержания общего белка плазмы. Причины: потеря большого количества воды (рвота, диарея, обширные ожоги), инфекционные заболевания (за счёт увеличения количества γ-глобулинов).
• Гипопротеинемия - уменьшение содержания общего белка в плазме. Наблюдается при заболеваниях печени (вследствие нарушения синтеза белков), при заболеваниях почек (вследствие потери белков с мочой), при голодании (вследствие недостатка аминокислот для синтеза белков).
• Диспротеинемия - изменение процентного соотношения белковых фракций при нормальном содержании общего белка в плазме крови, например, снижение содержания альбуминов и увеличение содержания одной или нескольких глобулиновых фракций при различных воспалительных заболеваниях.
• Парапротеинемия - появление в плазме крови патологических иммуноглобулинов - парапротеинов, отличающихся от нормальных белков по физико-химическим свойствам и биологической активности. К таким белкам относятся, например, криоглобулины , образующие друг с другом преципитаты при температуре ниже 37° С. Парапротеины обнаруживаются в крови при макроглобулинемии Вальденстрема, при миеломной болезни (в последнем случае они могут преодолевать почечный барьер и обнаруживаться в моче как белки Бенс-Джонса). Парапротеинемия, как правило, сопровождается гиперпротеинемией.

30.2.3. Липопротеиновые фракции плазмы крови. Липопротеины - сложные соединения, осуществляющие транспорт липидов в крови. В состав их входят: гидрофобное ядро, содержащее триацилглицеролы и эфиры холестерола, иамфифильная оболочка, образованная фосфолипидами, свободным холестеролом и белками-апопротеинами (рисунок 2). В плазме крови человека содержатся следующие фракции липопротеинов:

Рисунок 2. Схема строения липопротеина плазмы крови.

• Липопротеины высокой плотности или α-липопротеины , так как при электрофорезе на бумаге они движутся вместе с α-глобулинами. Содержат много белков и фосфолипидов, транспортируют холестерол из периферических тканей в печень.
• Липопротеины низкой плотности или β-липопротеины , так как при электрофорезе на бумаге они движутся вместе с β-глобулинами. Богаты холестеролом; транспортируют его из печени в периферические ткани.
• Липопротеины очень низкой плотности или пре-β-липопротеины (на электрофореграмме расположены между α- и β-глобулинами). Служат транспортной формой эндогенных триацилглицеролов, являются предшественниками липопротеинов низкой плотности.
• Хиломикроны - электрофоретически неподвижны; в крови, взятой натощак, отсутствуют. Являются транспортной формой экзогенных (пищевых) триацилглицеролов.

30.2.4. Белки острой фазы воспаления. Это белки, содержание которых увеличивается в плазме крови при остром воспалительном процессе. К ним относятся, например, следующие белки:

1. гаптоглобин ;
2. церулоплазмин ;
3. С-реактивный белок ;
4. α1 -антитрипсин ;
5. фибриноген (компонент свёртывающей системы крови; см. 30.7.2).

Скорость синтеза этих белков увеличивается прежде всего за счёт снижения образования альбуминов, трансферрина и альбуминов (небольшая фракция белков плазмы, обладающая наибольшей подвижностью при диск-электрофорезе, и которой соответствует полоса на электрофореграмме перед альбуминами), концентрация которых при остром воспалении снижается.

Биологическая роль белков острой фазы: а) все эти белки являются ингибиторами ферментов, освобождаемых при разрушении клеток, и предупреждают вторичное повреждение тканей; б) эти белки обладают иммунодепрессорным действием (В.Л.Доценко, 1985).

30.2.5. Защитные белки плазмы крови. К белкам, выполняющим защитную функцию, относятся иммуноглобулины и интерфероны.

Иммуноглобулины (антитела) - группа белков, вырабатываемых в ответ на попадание в организм чужеродных структур (антигенов). Они синтезируются в лимфоузлах и селезёнке лимфоцитами В. Выделяют 5 классов иммуноглобулинов - IgA, IgG, IgM, IgD, IgE.

Рисунок 3. Схема строения иммуноглобулинов (серым цветом показана вариабельная область, не закрашена - константная область).

Молекулы иммуноглобулинов имеют единый план строения. Структурную единицу иммуноглобулина (мономер) образуют четыре полипептидные цепи, соединённые между собой дисульфидными связями: две тяжёлые (цепи Н) и две лёгкие (цепи L) (см. рисунок 3). IgG, IgD и IgЕ по своей структуре, как правило, являются мономерами, молекулы IgM построены из пяти мономеров, IgA состоят из двух и более структурных единиц, или являются мономерами.

Белковые цепи, входящие в состав иммуноглобулинов, можно условно разделить на специфические домены, или области, имеющие определённые структурные и функциональные особенности.

N-концевые участки как L-, так и Н-цепей называются вариабельной областью (V), так как их структура характеризуется существенными различиями у разных классов антител. Внутри вариабельного домена имеются 3 гипервариабельных участка, отличающихся наибольшим разнообразием аминокислотной последовательности. Именно вариабельная область антител ответственна за связывание антигенов по принципу комплементарности; первичная структура белковых цепей в этой области определяет специфичность антител.

С-концевые домены Н- и L-цепей обладают относительно постоянной первичной структурой в пределах каждого класса антител и называются константной областью (С). Константная область определяет свойства различных классов иммуноглобулинов, их распределение в организме, может принимать участие в запуске механизмов, вызывающих уничтожение антигенов.

Интерфероны - семейство белков, синтезируемых клетками организма в ответ на вирусную инфекцию и обладающих противовирусным эффектом. Различают несколько типов интерферонов, обладающих специфическим спектром действия: лейкоцитарный (α-интерферон), фибробластный (β-интерферон) и& иммунный (γ-интерферон). Интерфероны синтезируются и секретируются одними клетками и проявляют свой эффект, воздействуя на другие клетки, в этом отношении они подобны гормонам. Механизм действия интерферонов показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Механизм действия интерферонов (Ю.А.Овчинников, 1987).

Связываясь с клеточными рецепторами, интерфероны индуцируют синтез двух ферментов — 2",5"-олигоаденилатсинтетазы и протеинкиназы, вероятно, за счет инициации транскрипции соответствующих генов. Оба образующихся фермента проявляют свою активность в присутствии двухцепочечных РНК, а именно такие РНК являются продуктами репликации многих вирусов или содержатся в их вирионах. Первый фермент синтезирует 2",5"-олигоаденилаты (из АТФ), которые активируют клеточную рибонуклеазу I; второй фермент фосфорилирует фактор инициации трансляции IF2. Конечным результатом этих процессов является ингибирование биосинтеза белка и размножения вируса в инфицированной клетке (Ю.А.Овчинников, 1987).

30.2.6. Ферменты плазмы крови. Все ферменты, содержащиеся в плазме крови, можно разделить на три группы:

1. секреторные ферменты - синтезируются в печени, выделяются в кровь, где выполняют свою функцию (например, факторы свёртывания крови);
2. экскреторные ферменты - синтезируются в печени, в норме выделяются с желчью (например, щелочная фосфатаза), их содержание и активность в плазме крови возрастает при нарушении оттока желчи;
3. индикаторные ферменты - синтезируются в различных тканях и попадают в кровь при разрушении клеток этих тканей. В разных клетках преобладают различные ферменты, поэтому при повреждении того или иного органа в крови появляются характерные для него ферменты. Это может быть использовано в диагностике заболеваний.

Например, при повреждении клеток печени (гепатит ) в крови возрастает активность аланинаминотраноферазы (АЛТ), аспартатаминотрансферазы (ACT), изофермента лактатдегидрогеназы ЛДГ5 , глутаматдегидрогеназы, орнитинкарбамоилтрансферазы.

При повреждении клеток миокарда (инфаркт ) в крови возрастает активность аспартатаминотрансферазы (ACT), иэофермента лактатдегидрогеназы ЛДГ1 , изофермента креатинкиназы MB.

При повреждении клеток поджелудочной железы (панкреатит ) в крови возрастает активность трипсина, α-амилазы, липазы.

30.3. Небелковые азотистые компоненты крови (остаточный азот).

К этой группе веществ относятся: мочевина, мочевая кислота, аминокислоты, креатин, креатинин, аммиак, индикан, билирубин и другие соединения (см. рисунок 5). Содержание остаточного азота в плазме крови здоровых людей - 15-25 ммоль/л. Повышение содержания остаточного азота в крови называется азотемией . В зависимости от причины, азотемия подразделяется на ретенционную и продукционную.

Ретенционная азотемия возникает при нарушении выведения продуктов азотистого обмена (в первую очередь мочевины) с мочой и характерна для недостаточности функции почек. В этом случае до 90% небелкового азота крови приходится на азот мочевины вместо 50% в норме.

Продукционная азотемия развивается при избыточном поступлении азотистых веществ в кровь вследствие усиленного распада тканевых белков (длительное голодание, сахарный диабет, тяжёлые ранения и ожоги, инфекционные заболевания).

Определение остаточного азота проводят в в безбелковом фильтрате сыворотки крови. В результате минерализации безбелкового фильтрата при нагревании с концентрированной Н2 SO4 азот всех небелковых соединений переходит в форму (NH4 )2 SO4 . Ионы NH4 + определяют с помощью реактива Несслера.

• Мочевина - главный конечный продукт обмена белков в организме человека. Образуется в результате обезвреживания аммиака в печени, выводится из организма почками. Поэтому содержание мочевины в крови снижается при заболеваниях печени и возрастает при почечной недостаточности.
• Аминокислоты - поступают в кровь при всасывании из желудочно-кишечного тракта или являются продуктами распада тканевых белков. В крови здоровых людей среди аминокислот преобладают аланин и глутамин, которые наряду с участием в биосинтезе белков являются транспортными формами аммиака.
• Мочевая кислота - конечный продукт катаболизма пуриновых нуклеотидов. Содержание её в крови возрастает при подагре (в результате усиленного образования) и при нарушениях функции почек (из-за недостаточного выведения).
• Креатин - синтезируется в почках и печени, в мышцах превращается в креатинфосфат - источник энергии для процессов мышечного сокращения. При заболеваниях мышечной системы содержание креатина в крови значительно возрастает.
• Креатинин - конечный продукт азотистого обмена, образуется в результате дефосфорилирования креатинфосфата в мышцах, выводится из организма почками. Содержание креатинина в крови снижается при заболеваниях мышечной системы, повышается при почечной недостаточности.
• Индикан - продукт обезвреживания индола, образуется в печени, выводится почками. Содержание его в крови снижается при заболеваниях печени, повышается - при усилении процессов гниения белков в кишечнике, при заболеваниях почек.
• Билирубин (прямой и непрямой) - продукты катаболизма гемоглобина. Содержание билирубина в крови увеличивается при желтухах: гемолитической (за счёт непрямого билирубина), обтурационной (за счёт прямого билирубина), паренхиматозной (за счёт обеих фракций).

Рисунок 5. Небелковые азотистые соединения плазмы крови.

30.4. Безазотистые органические компоненты крови.

В эту группу веществ входят питательные вещества (углеводы, липиды) и продукты их метаболизма (органические кислоты). Наибольшее значение в клинике имеет определение содержания в крови глюкозы, холестерола, свободных жирных кислот, кетоновых тел и молочной кислоты. Формулы этих веществ представлены на рисунке 6.

• Глюкоза - главный энергетический субстрат организма. Содержание её у здоровых людей в крови натощак - 3,3 - 5,5 ммоль/л. Повышение содержания глюкозы в крови (гипергликемия) наблюдается после приёма пищи, при эмоциональном стрессе, у больных сахарным диабетом, гипертиреозом, болезнью Иценко-Кушинга. Снижение содержания глюкозы в крови (гипогликемия) наблюдается при голодании, интенсивных физических нагрузках, остром алкогольном отравлении, передозировке инсулина.
• Холестерол - обязательный липидный компонент биологических мембран, предшественник стероидных гормонов, витамина D3 , желчных кислот. Содержание его в плазме крови здоровых людей - 3,9 - 6,5 ммоль/л. Повышение содержания холестерола в крови (гиперхолестеролемия ) наблюдается при атеросклерозе, сахарном диабете, микседеме, желчно-каменной болезни. Снижение уровня холестерола в крови (гипохолестеролемия ) обнаруживается при гипертиреозе, циррозе печени, заболеваниях кишечника, голодании, при приёме желчегонных препаратов.
• Свободные жирные кислоты (СЖК) используются тканями и органами в качестве энергетического материала. Содержание СЖК в крови повышается при голодании, сахарном диабете, после введения адреналина и глюкокортикоидов; снижается при гипотиреозе, после введения инсулина.
• Кетоновые тела. К кетоновым телам относятся ацетоацетат,β-гидроксибутират, ацетон - продукты неполного окисления жирных кислот. Содержание кетоновых тел в крови повышается (гиперкетонемия ) при голодании, лихорадке, сахарном диабете.
• Молочная кислота (лактат) - конечный продукт анаэробного окисления углеводов. Содержание её в крови повышается при гипоксии (физические нагрузки, заболевания лёгких, сердца, крови).
• Пировиноградная кислота (пируват) - промежуточный продукт катаболизма углеводов и некоторых аминокислот. Наиболее резкое повышение содержания пировиноградной кислоты в крови отмечается при мышечной работе и недостаточности витамина В1 .

Рисунок 6. Безазотистые органические вещества плазмы крови.

30.5. Минеральные компоненты плазмы крови.

Минеральные вещества являются необходимыми компонентами плазмы крови. Важнейшими катионами являются ионы натрия, калия, кальция и магния. Им соответствуют анионы: хлориды, бикарбонаты, фосфаты, сульфаты. Часть катионов в плазме крови связаны с органическими анионами и белками. Сумма всех катионов равна сумме анионов, так как плазма крови электронейтральна.

• Натрий - основной катион внеклеточной жидкости. Его содержание в плазме крови 135 - 150 ммоль/л. Ионы натрия участвуют в поддержании осмотического давления внеклеточной жидкости. Гипернатриемия наблюдается при гиперфункции коры надпочечников, при введении гипертонического раствора хлорида натрия парентерально. Гипонатриемия может быть обусловлена бессолевой диетой, надпочечниковой недостаточностью, диабетическим ацидозом.
• Калий является основным внутриклеточным катионом. В плазме крови он содержится в количестве 3,9 ммоль/л, а в эритроцитах - 73,5 - 112 ммоль/л. Как и натрий, калий поддерживает осмотический и кислотно-основный гомеостаз в клетке. Гиперкалиемия отмечается при усиленном разрушении клеток (гемолитическая анемия, синдром длительного раздавливания), при нарушении выделения калия почками, при обезвоживании организма. Гипокалиемия наблюдается при гиперфункции коры надпочечников, при диабетическом ацидозе.
• Кальций в плазме крови содержится в виде форм. Выполняющих различные функции: связанный с белками (0,9 ммоль/л), ионизированный (1,25 ммоль/л) и неионизированный (0,35 ммоль/л). Биологически активным является только ионизированный кальций. Гиперкальциемия наблюдается при гиперпаратиреозе, гипервитаминозе D, синдроме Иценко-Кушинга, деструктивных процессах в костной ткани. Гипокальциемия встречается при рахите, гипопаратиреозе, заболеваниях почек.
• Хлориды содержатся в плазме крови в количестве 95 - 110 ммоль/л, участвуют в поддержании осмотического давления, кислотно-основного состояния внеклеточной жидкости. Гиперхлоремия наблюдается при сердечной недостаточности, артериальной гипертензии, гипохлоремия - при рвоте, заболеваниях почек.
• Фосфаты в плазме крови являются компонентами буферной системы, их концентрация составляет 1 - 1,5 ммоль/л. Гиперфосфатемия наблюдается при заболеваниях почек, гипопаратиреозе, гипервитаминозе D. Гипофосфатемия отмечена при гиперпаратиреозе, микседеме, рахите.

0.6. Кислотно-основное состояние и его регуляция.

Кислотно-основное состояние (КОС) - соотношение концентрации водородных (Н+ ) и гидроксильных (ОН— ) ионов в жидкостях организма. Для здорового человека характерно относительное постоянство показателей КОС, обусловленное совместным действием буферных систем крови и физиологического контроля (органы дыхания и выделения).

30.6.1. Буферные системы крови. Буферные системы организма состоят из слабых кислот и их солей с сильными основаниями. Каждая буферная система характеризуется двумя показателями:

• рН буфера (зависит от соотношения компонентов буфера);
• буферная ёмкость , то есть количество сильного основания или кислоты, которое нужно прибавить к буферному раствору для изменения рН на единицу (зависит от абсолютных концентраций компонентов буфера).

Различают следующие буферные системы крови:

• бикарбонатная (H2 CO3 /NaHCO3 );
• фосфатная (NaH2 PO4 /Na2 HPO4 );
• гемоглобиновая (дезоксигемоглобин в качестве слабой кислоты/ калиевая соль оксигемоглобина);
• белковая (действие её обусловлено амфотерностью белков). Бикарбонатная и тесно связанная с ней гемоглобиновая буферные системы составляют в совокупности более 80% буферной ёмкости крови.

30.6.2. Дыхательная регуляция КОС осуществляется путём изменения интенсивности внешнего дыхания. При накоплении в крови СО2 и Н+ усиливается лёгочная вентиляция, что приводит к нормализации газового состава крови. Снижение концентрации углекислоты и Н+ вызывает уменьшение лёгочной вентиляции и нормализацию данных показателей.

30.6.3. Почечная регуляция КОС осуществляется главным образом за счёт трёх механизмов:

• реабсорбции бикарбонатов (в клетках почечных канальцев из Н2 О и СО2 образуется угольная кислота Н2 СО3 ; она диссоциирует, Н+ выделяется в мочу, НСО3 — реабсорбируетоя в кровь);
• реабсорбции Na+ из клубочкового фильтрата в обмен на Н+ (при этом Na2 HPO4 в фильтрате переходит в NaH2 PO4 и увеличивается кислотность мочи);
• секреции NH4 + (при гидролизе глутамина в клетках канальцев образуется NH3 ; он взаимодействует с H+ , образуются ионы NH4 + , которые выводятся с мочой.

30.6.4. Лабораторные показатели КОС крови. Для характеристики КОС используют следующие показатели:

• рН крови;
• парциальное давление СО2 (рСО2 ) крови;
• парциальное давление О2 (рО2 ) крови;
• содержание бикарбонатов в крови при данных значениях рН и рСО2 (актуальный или истинный бикарбонат, АВ );
• содержание бикарбонатов в крови пациента в стандартных условиях, т.е. при рСО2 =40 мм рт.ст. (стандартный бикарбонат, SB );
• сумма оснований всех буферных систем крови (ВВ );
• избыток или дефицит оснований крови по сравнению с нормальным для данного пациента показателем (BE , от англ. base excess).

Первые три показателя определяются непосредственно в крови с помощью специальных электродов, на основании полученных данных рассчитываются остальные показатели с помощью номограмм или формул.

30.6.5. Нарушения КОС крови. Известны четыре главные формы нарушений кислотно-основного состояния:

• метаболический ацидоз - возникает при сахарном диабете и голодании (за счёт накопления кетоновых тел в крови), при гипоксии (за счёт накопления лактата). При этом нарушении снижается рСО2 и [НСО3 - ] крови, увеличивается экскреция NH4 + с мочой;
• дыхательный ацидоз - возникает при бронхите, пневмонии, бронхиальной астме (в результате задержки углекислоты в крови). При этом нарушении повышается рСО2 и крови, увеличивается экскреция NH4 + с мочой;
• метаболический алкалоз - развивается при потере кислот, например, при неукротимой рвоте. При этом нарушении повышается рСО2 и крови, увеличивается экскреция НСО3 - с мочой, снижается кислотность мочи.
• дыхательный алкалоз - наблюдается при усиленной вентиляции лёгких, например, у альпинистов на большой высоте. При этом нарушении снижается рСО2 и [НСО3 - ] крови, уменьшается кислотность мочи.

Для лечения метаболического ацидоза используют введение раствора бикарбоната натрия; для лечения метаболического алкалоза - введение раствора глутаминовой кислоты.

30.7. Некоторые молекулярные механизмы свёртывания крови.

30.7.1. Свёртывание крови - совокупность молекулярных процессов, приводящих к прекращению кровотечения из повреждённого сосуда в результате образования кровяного сгустка (тромба). Общая схема процесса свёртывания крови представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Общая схема свёртывания крови.

Большинство факторов свёртывания присутствует в крови в виде неактивных предшественников - проферментов, активация которых осуществляется путём частичного протеолиза . Ряд факторов свёртывания крови являются витамин К-зависимыми: протромбин (фактор II), проконвертин (фактор VII), факторы Кристмаса (IX) и Стюарта-Прауэра (Х). Роль витамина К определяется участием в карбоксилировании остатков глутамата в N-концевом участке этих белков с образованием γ-карбоксиглутамата.

Свёртывание крови представляет собой каскад реакций, в котором активированная форма одного фактора свёртывания катализирует активацию следующего до тех пор, пока конечный фактор, который является структурной основой тромба, не будет активирован.

Особенности каскадного механизма заключаются в следующем:

1) в отсутствие фактора, инициирующего процесс тромбообразования, реакция не может произойти. Поэтому процесс свёртывания крови будет ограничен только тем участком кровяного русла, где появляется такой инициатор;

2) факторы, действующие на начальных этапах свёртывания крови, требуются в очень малых количествах. На каждом звене каскада их эффект многократно усиливается (амплифицируется ), что обеспечивает в итоге быструю ответную реакцию на повреждение.

В обычных условиях существуют внутренний и внешний пути свёртывания крови. Внутренний путь инициируется соприкосновением с атипичной поверхностью, что приводит к активации факторов, исходно присутствовавших в крови.Внешний путь свёртывания инициируется соединениями, в обычных условиях в крови не присутствующими, но поступающими туда в результате повреждения тканей. Для нормального протекания процесса свёртывания крови необходимы оба эти механизма; они различаются только на начальных этапах, а затем объединяются в общий путь , приводящий к образованию фибринового сгустка.

30.7.2. Механизм активации протромбина. Неактивный предшественник тромбина - протромбин - синтезируется в печени. В его синтезе участвует витамин К. Протромбин содержит остатки редкой аминокислоты - γ-карбоксиглутамата сокращённое обозначение - Gla). В процессе активации протромбина участвуют тромбоцитарные фосфолипиды, ионы Са2+ и факторы свёртывания Va и Хa. Механизм активации представляется следующим образом (рисунок 8).

Рисунок 8. Схема активации протромбина на тромбоцитах (Р.Марри и соавт., 1993).

Повреждение кровеносного сосуда приводит к взаимодействию тромбоцитов крови с коллагеновыми волокнами сосудистой стенки. Это вызывает разрушение тромбоцитов и способствует выходу наружу отрицательно заряженных молекул фосфолипидов внутренней стороны плазматической мембраны тромбоцитов. Отрицательно заряженные группировки фосфолипидов связывают ионы Са2+ . Ионы Са2+ в свою очередь взаимодействуют с остатками γ-карбоксиглутамата в молекуле протромбина. Эта молекула фиксируется на мембране тромбоцита в нужной ориентации.

Тромбоцитарная мембрана содержит также рецепторы для фактора Va. Этот фактор связывается с мембраной и присоединяет фактор Хa. Фактор Хa является протеазой; он расщепляет молекулу протромбина в определённых местах, в результате образуется активный тромбин.

30.7.3. Превращение фибриногена в фибрин. Фибриноген (фактор I) - растворимый гликопротеин плазмы с молекулярной массой около 340 000. Он синтезируется в печени. Молекула фибриногена состоит из шести полипептидных цепей: две А α-цепи, две В β-цепи, и две γ-цепи (см. рисунок 9). Концы полипептидных цепей фибриногена несут отрицательный заряд. Это обусловлено присутствием большого количества остатков глутамата и аспартата в N-концевых областях цепей Аa и Вb. Кроме того, В-области цепей Вb содержат остатки редкой аминокислоты тирозин-О-сульфата, также заряженные отрицательно:

Это способствует растворимости белка в воде и препятствует агрегации его молекул.

Рисунок 9. Схема строения фибриногена; стрелками показаны связи, гидролизуемые тромбином. Р.Марри и соавт., 1993).

Превращение фибриногена в фибрин катализирует тромбин (фактор IIa). Тромбин гидролизует четыре пептидные связи в фибриногене: две связи в цепях А α и две связи в цепях В β. От молекулы фибриногена отщепляются фибринопептиды А и В и образуется фибрин-мономер (его состав α2 β2 γ2 ). Мономеры фибрина нерастворимы в воде и легко ассоциируют друг с другом, образуя фибриновый сгусток.

Стабилизация фибринового сгустка происходит под действием фермента трансглутаминазы (фактор XIIIa). Этот фактор также активируется тромбином. Трансглутаминаза образует поперечные сшивки между мономерами фибрина при помощи ковалентных изопептидных связей.

30.8. Особенности метаболизма эритроцита.

30.8.1. Эритроциты - высокоспециализированные клетки, основной функцией которых является транспорт кислорода из лёгких в ткани. Продолжительность жизни эритроцитов составляет в среднем 120 суток; разрушение их происходит в клетках ретикуло-эндотелиальной системы. В отличие от большинства клеток организма, у эритроцита отсутствуют клеточное ядро, рибосомы и митохондрии.

30.8.2. Энергетический обмен. Основным энергетическим субстратом эритроцита является глюкоза, которая поступает из плазмы крови путём облегчённой диффузии. Около 90% ис-пользуемой эритроцитом глюкозы подвергается гликолизу (анаэробному окислению) с образованием конечного продукта - молочной кислоты (лактата). Запомните функции, которые выполняет гликолиз в зрелых эритроцитах:

1) в реакциях гликолиза образуется АТФ путём субстратного фосфорилирования . Основное направление использования АТФ в эритроцитах - обеспечение работы Na+ ,K+ -АТФазы. Этот фермент осуществляет транспорт ионов Nа+ из эритроцитов в плазму крови, препятствует накоплению Na+ в эритроцитах и способствует сохранению геометрической формы этих кле-ток крови (двояковогнутый диск).

2) в реакции дегидрирования глицеральдегид-3-фосфата в гликолизе образуется НАДН . Этот кофермент является кофактором фермента метгемоглобинредуктазы , участвующей в восстановлении метгемоглобина в гемоглобин по следующей схеме:

Эта реакция препятствует накоплению метгемоглобина в эритроцитах.

3) метаболит гликолиза 1, 3-дифосфоглицерат способен при участии фермента дифосфоглицератмутазы в присутствии 3-фосфоглицерата превращаться в 2, 3-дифосфоглицерат:

2,3-Дифосфоглицерат принимает участие в регуляции сродства гемоглобина к кислороду. Его содержание в эритроцитах повышает-ся при гипоксии. Гидролиз 2,3-дифосфоглицерата катализирует фермент дифосфоглицератфосфатаза.

Приблизительно 10% глюкозы, потребляемой эритроцитом, использует-ся в пентозофосфатном пути окисления. Реакции этого пути служат основ-ным источником НАДФН для эритроцита. Данный кофермент необходим для перевода окисленного глутатиона (см. 30.8.3) в восстановленную форму. Дефицит ключевого фермента пентозофосфатного пути - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы - сопровождается уменьшением в эритроцитах отношения НАДФН/НАДФ+ , увеличением содержания окисленной формы глутатиона и сни-жением резиcтентности клеток (гемолитическая анемия).

30.8.3. Механизмы обезвреживания активных форм кислорода в эритроцитах. Молекулярный кислород в определённых условиях может превращаться в активные формы, к которым относятся супероксидный анион О2 - , пероксид водорода Н2 О2 , гидроксильный радикал ОН. и синглетный кислород 1 О2 . Эти формы кислорода обладают высокой реакционной способностью, могут оказывать повреждающее действие на белки и липиды биологических мембран, вызывать разрушение клеток. Чем выше содержание О2 , тем больше образуется его активных форм. Поэтому эритроциты, постоянно взаимодействующие с кислородом, содержат эффективные антиоксидантные системы, способные обезвреживать активные метаболиты кислорода.

Важным компонентом антиоксидантных систем является трипептид глутатион, образующийся в эритроцитах в результате взаимодействия γ-глутамилцистеина и глицина:

Восстановленная форма глутатиона (сокращённое обозначение Г-SH) участвует в реакциях обезвреживания пероксида водорода и органических пероксидов (R-O-OH). При этом образуются вода и окисленный глутатион (сокращённое обозначение Г-S-S-Г).

Превращение окисленного глутатиона в восстановленный катализирует фермент глутатионредуктаза. Источник водорода - НАДФН (из пентозофосфатного пути, см. 30.8.2):

В эритроцитах имеются также ферменты супероксиддисмутаза и каталаза , осуществляющие следующие превращения:

Антиоксидантные системы имеют для эритроцитов особое значение, так как в эритроцитах не происходит обновления белков путём синтеза.

Часть III.БИОГЕОХИМИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. Глава 10. БИОГЕОХИМИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Часть III.БИОГЕОХИМИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. Глава 10. БИОГЕОХИМИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Химию в ее современном состоянии можно назвать учением об элементах.

Д. И. Менделеев

10.1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДЕ И В ОРГАНИЗМЕ. ПОНЯТИЕ О БИОГЕОХИМИИ, БИОСФЕРЕ

И ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИИ.

ПОРОГОВЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ. МИКРО- И МАКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ ГОМЕОСТАЗ

В естественных условиях на нашей планете в более или менее ощутимых количествах обнаружено 92 элемента. На стыке химии, биологии и геологии возникла новая наука биогеохимия. «Биогеохимия - интегрированная наука об элементном составе живого вещества и его роли в миграции, трансформации и концентрировании химических элементов и их соединений в биосфере, их биологической роли. Она является приоритетным научным направлением в связи с техногенной эволюцией планеты и поисками адекватных путей взаимодействия человека и природы». Часть земной оболочки, переработанная человеком, природой и космическими излучениями и приспособленная к жизни, называют биосферой.

В.И. Вернадский в работе «Биосфера и ноосфера» писал: «...Биосферу определяют как область жизни, однако более точно ее можно определить как оболочку, в которой могут происходить изменения, вызванные приходящим солнечным излучением. Вещество, составляющее биосферу, неоднородно, и мы различаем косное и живое вещество. Косное вещество преобладает по массе. Происходит непрерывная миграция атомов из косного вещества биосферы в живое и обратно». «Живое вещество охватывает и регулирует в области биосферы все или почти все химические элементы. Они все нужны для жизни и все попадают в состав

организма не случайно. Нет особых, жизни свойственных элементов. Есть господствующие» (Вернадский В.И., 1938). «Жизнь есть планетное явление», которое определяет основным образом химизм, миграцию всех химических элементов верхней земной оболочки биосферы. Многие десятки и сотни тысяч химических реакций, совершающихся в живом теле, не только гармонично сочетаются в едином порядке, но весь этот порядок закономерно обусловливает самосохранение и самовоспроизведение всей жизненной системы в целом в данных условиях внешней среды, в поражающем соответствии с этими условиями. В.В. Ковальский (1982), развивая идеи В.И. Вернадского - «организм и среда» (в частности биогеохимическая), отметил, что организм и среда, настолько зависимые явления в биосфере, что невозможно рассматривать отдельно эволюцию жизни и среды. Это единая система, в которой в процессах ее существования вырабатываются характерные особенности у организмов к среде, включаемых в число фенотипических реакций, обогащающих систему «жизнь - среда».

В этой системе устанавливаются по отношению к геохимическим факторам среды глубокие метаболические связи. Примером может служить выделение в почвенную среду органических веществ, дающих с химическими элементами среды вне организма комплексные соединения, в которых химические элементы (металлы, микроэлементы) приобретают активность в процессах проникновения через клеточные мембраны и в последующих превращениях в звеньях биогенного цикла. Урбанизированные ареалы выступают не только самостоятельными источниками эмиссии новых соединений, но и ареной формирования техногенной хелатной матрицы, которая поглощает металлы в комплексы и включает их в глобальный миграционный цикл. Изучение влияния химических элементов среды на обменные процессы, выявление причинных зависимостей нормальных и патологических реакций организмов от факторов биогеохимической среды в природных условиях и эксперименте составляют конечную цель в геохимической экологии как следствие системного изучения биосферы. При воздействии на организм имеет значение природа, концентрация, доза, мольное соотношение элементов, форма и условия, в которых они находятся. Поэтому в организме под влиянием отдельных элементов и их совместного действия может наблюдаться усиление или ослабление биохимических процессов и даже дисфункции процессов обмена веществ. Об этом свидетельствуют единство механизмов, лежащих в основе концентрирования элементов живым веществом, которое связано как с особенностями химического состава биологической системы и процессов

метаболизма в ней, так и со строением и свойствами химических элементов. Согласно биогеохимической теории В.И. Вернадского, биосфера не только среда, в которой происходит жизнедеятельность, но и сама является результатом этой жизнедеятельности. Специфика биосферы состоит в том, что в ней постоянно происходит обусловленный деятельностью организмов круговорот элементов. В организме можно обнаружить почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. По теории В.И. Вернадского существует биогенная миграция атомов по цепочке: почва > вода > пища > человек. Реальные зоны, в которых в результате жизнедеятельности осуществляется круговорот элементов, называются экосистемами и, как назвал их В.Н. Сукачев, биогеоценозами. По мнению А.П. Виноградова (1949) содержание микроэлементов в организме является характерным признаком вида и зависит от ряда условий: возраста, пола, времени года и суток, условий труда и физиологических состояний. Установлены биоритмы колебаний содержания элементов (в 3-часовом интервале до 100%) для макро- и микроэлементов. Однако в нормально функционирующей системе хаоса в элементном составе нет. Несмотря на многообразие природных условий, человек, животные и растения в целом имеют сходный элементный химический состав (табл. 10.1).

Таблица 10.1. Содержание элементов органогенов, %

В образовании комплексных соединений участвуют как макро-, так и микроэлементы, и их свойства определяются строением и соотношением данных элементов, условиями их функционирования. По ряду веществ химический состав организма очень лабилен. Соотношение органических составляющих (лигандов), образованных макроэлементами, и комплексообразователей - ионов металлов - центральных частиц комплексов заметно варьирует.

Если в системе несколько лигандов с одним ионом металла или несколько ионов металла с одним лигандом, способных к образованию комплексных соединений, то наблюдаются конкурирующие равновесия: в первом случае лигандообменное - конкуренция за ион металла, во втором - металлообменное между ионами металла за лиганд. Преобладающим будет процесс образования наиболее прочного комплекса.

В природе никогда не действует изолированно один химический элемент, значение имеют природа, концентрация и соотношение между элементами (Аnke М., Ge1i М., 1995-1996). В биологических системах комплексные соединения - наиболее обширный и разнообразный класс соединений (Джиллард Р.Д., 1967). В работе Г.Н. Саенко (1992) показана прямая и обратная взаимосвязь между органическими био-лигандами, биокомплексами металлов и общим содержанием металлов: общее содержание металлов комплексные соединения металлов органические лиганды. Важнейшие процессы жизнедеятельности протекают с участием биологически активных соединений и зависят от их состава, содержания, соотношения иона металла и органической составляющей, называемой биотиком. Биотиками считают вещества, в количественном и качественном отношении свойственные организму, обладающие физиологической активностью, способные регулировать нарушенные процессы обмена веществ в организме, повышать его защитные функции.

В организме животных обнаружено более 60 элементов, причем 45 из них определены количественно и являются постоянными составными частями организма. Элементы, жизненно необходимые организму, называют биогенными элементами. Биогенность 30 элементов установлена. Концепция гомеостаза является центральной проблемой геохимической экологии и отражает состояние относительного постоянства внутренней и внешней среды организма. По мнению В.В. Ковальского, 1991 макро- и микроэлементный гомеостаз определяется не только их биологической природой, средой, но и пищевыми цепями, через которые осуществляется связь организма и среды. В пищевой цепи может происходить уменьшение концентрации одних химических элементов и накопление других. Животные и человек получают биогенные элементы в основном из растительной и животной пищи. Установлены ориентировочные пороговые концентрации ряда химических элементов, выше и ниже которых проявляются биологические эффекты на целом организме (табл. 10.2).

Пороговые концентрации для каждого элемента - величины относительные; они могут повышаться или понижаться в зависимости от концентрации других элементов, вида организма, биологического состояния, сезона года и содержания элементов на техногенных территориях. Например, содержание железа в пастбищных растениях. Данные о формировании биогеохимических аномалий свидетельствуют об интенсивном вовлечении железа в локальные биогеохимические циклы.

Таблица 10.2. Пороговые концентрации микроэлементов в кормах, мг/кг сухого корма

Несмотря на широкие колебания содержания макро- и микроэлементов в продуктах питания, почве, воде, в растительных и животных организмах, содержание макро- и микроэлементов остается постоянным. Однако биорегуляторные механизмы не беспредельны, и в экстремальных условиях могут наблюдаться нарушения макро-, микроэлементного, молекулярного и антиоксидантного гомеостаза, что может быть лимитирующим фактором роста и развития организма. Поэтому сохранение гомеостаза является важнейшей задачей любой биологической системы. В организме постоянно образуются вещества, обладающие окислительными свойствами. В живых организмах анти-оксидантная защита представлена различными системами, которые при нормальном функционировании организма находятся во взаимно компенсаторном взаимодействии. Снижение концентрации или активности одних антиоксидантов приводит к соответствующему изменению других. Структура межорганных и межсистемных взаимодействий отражает триггерный характер процессов адаптации. Человек, растения и животные постоянно подвергаются прооксидантному действию окружающей среды, которая подвергается техногенному загрязнению. Следовательно, актуальны исследования взаимодействий между макро-, микроэлементами и разработка методов антиоксидантной терапии.

Содержание некоторых элементов в организме по сравнению с окружающей средой повышенное, и это называют биологическим концентрированием элемента. Например, углерода в земной коре 0,35%, и по содержанию в живых организмах он занимает второе место (21%). Эта закономерность наблюдается не всегда. Так, кремния в земной коре 27,6%, а в живых организмах его мало, алюминия - 7,45%,

в живых организмах - 1 10 -5 %. Наиболее выражена концентрационная функция у морских организмов. Обнаружено повышенное концентрирование 10 переходных элементов, особенно характерное для железа, титана и марганца. Различие между концентрациями кремния, титана и алюминия в земной коре и их небольшим содержанием в живом веществе обусловлено растворимостью в воде соединений этих элементов. Биоконцентрирование характерно для отдельных органов (печени, почек, пищеварительного тракта). Из них микроэлементы вовлекаются в процессы метаболизма для поддержания микроэлементного гомео-стаза. Степень концентрирования элементов определяется уровнем организации материи в пользу структур, несущих определенную физиологическую нагрузку.

Рис. 10.1. Биохимические пищевые цепи химических элементов (Ковальский В.В., 1974)

Доказано, что от химического элементного состава среды обитания организмов зависят их морфологическая и физиологическая изменчивость, размножение, рост и развитие (рис. 10.1). Поэтому нарушение баланса химических элементов в среде, как это происходит в биогеохимических провинциях, вызывает патологические изменения в организме животных и человека. Становится очевидным, что наряду с биогеохимическими эндемиями природного происхождения следует изучать эндемические болезни, являющиеся реакцией на аномальный состав природной среды, измененной техногенной деятельностью человека. Использование огромных масс химических элементов, обусловленное техногенезом, пока не сказывается на глобальных циклах химических элементов, поддерживающих целостность биосферы. Но в будущем ряд техногенных процессов может оказать заметное влияние на миграцию элементов в биосфере (блокирование атмосферного азота, окисление серы и углерода, повышение кислотности природных вод), способствуя образованию техногенных

провинций в результате изменения биогеохимических циклов отдельных химических элементов и их групп. Несомненно, более глубокого подхода требует и оценка биологических реакций организмов на экстремальные техногенные и природные факторы.

10.2. КЛАССИФИКАЦИИ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ БИОГЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ

И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

Существует несколько классификаций биогенных элементов. По В.И. Вернадскому, в зависимости от среднего содержания выделено 3 группы:

Макроэлементы, содержание которых в организме выше 10 -2 %; к ним относятся кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, сера, калий, натрий, хлор, магний; они составляют 99,99% живого субстрата; еще более поразительно, что 99% живых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, P, Са;

Микроэлементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10 -2 до 10 -5 %; к ним относятся кремний, йод, фтор, стронций, железо, марганец, медь, цинк, рубидий, бром и др.;

Ультрамикроэлементы, содержание которых в организме ниже 10 -5 %; к ним относятся молибден, селен, титан, кобальт, цезий и др.

Макроэлементы - C,P, H,O,N,S - входят в состав белков, нуклеиновых кислот. В зависимости от функциональной роли макроэлементы делят на органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S), и элементы электролитного фона (Na, К, Са, Мg, Cl) (табл. 10.3, 10.4). Содержание углерода в белках 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%. Максимальное количество белков (80%) животных и человека содержится в селезенке, легких, мышцах; минимальное (~25%) в костях и зубах. Углерод, водород и кислород входят в состав углеводов, содержание которых ~2%. Эти элементы входят в состав липидов, а в состав фосфолипидов входят также соединения фосфора. Липиды концентрируются в головном мозге (12%), в печени (5%), молоке 2-3%, сыворотке крови 0,6%. Основное количество соединений фосфора (600 г) содержится в костной ткани, что составляет 85% массы всего фосфора, входящего в состав организма. Кальций, калий, натрий, магний и хлор называют элементами электролитного фона. Наибольшее содержание кальция приходится на костную ткань

(до 17% ее массы), более половины содержания магния также находится в костной ткани. Фракция внекостного кальция составляет всего 1% его общего содержания. Элементы К, Na, Mg, Fe, Cl, S называют олигобиогенными элементами. Содержание их колеблется от 0,1 до 1%.

Таблица 10.3. Содержание макроэлементов-органогенов в организме

Таблица 10.4. Содержание элементов электролитного фона в организме

Элементы, суммарное содержание которых составляет величину порядка 0,01%, относят к микроэлементам. Их содержание <0,001% (10 -3 -10 -5 %). Большинство микроэлементов содержится в основном в тканях печени. Это депо микроэлементов. Некоторые микроэлементы проявляют сродство к определенным тканям (йод - к щитовидной железе, фтор - к эмали зубов, цинк - к поджелудочной железе, молибден - к почкам и т.д.). Элементы, содержание которых меньше, чем 10 -5 %, относят к ультрамикроэлементам. Данные о количестве и биологической роли многих элементов не выяснены до конца. Некоторые из них постоянно содержатся в организме животных и человека: Ga, Ti, F, Al, As, Cr, Ni, Sc, Ge, Sn и др. Биологическая роль их мало выяснена. Их относят к условно-биогенным элементам. Другие элементы (Те, Sc, In, W, Re и др.) обнаружены в организме человека и животных, а данные об их количестве и биологической

роли не выяснены. Они отнесены к примесным элементам. Примесные элементы делят на аккумулирующиеся (Hg, Pb, Cd) и неаккумули-рующиеся (Al, Ag, Ga, Ti, F). Известны крылатые слова, сказанные немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак: «В каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы периодической системы». Если согласиться с этим, то тем более это должно быть справедливо для живого организма.

Все живые организмы имеют тесный контакт с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. Организм состоит из воды на 60%, 34% приходится на органические вещества, 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются С, Н, О. B их состав входят также N, Р, S. В составе неорганических веществ обязательно присутствуют 22 химических элемента. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): Са - 1700, К - 250, Na - 70, Mg - 42, Fe - 5, Zn - 3. На долю металлов приходится 2,1 кг. Содержание в организме элементов IIIA-VIA групп, ковалентносвязанных с органической частью молекул, уменьшается с ростом заряда ядра атомов данной группы периодической системы Д.И. Менделеева. Например, ω(О) > ω(S) > ω(Se) >ω(Fe). Количество элементов, находящихся в организме в виде ионов (s-элементы IA, IIA групп, р-элементы VIIA группы), с ростом заряда ядра атома в группе увеличивается до элемента с оптимальным ионным радиусом, а затем уменьшается. Например, во IIA группе при переходе от Be к Са содержание в организме увеличивается, а затем от Ва к Ra снижается (Ершов Ю.А. и др., 2000). Элементы-аналоги, имеющие близкое строение атомов, имеют много общего в биологическом действии. В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 10.5).

Столько же химических элементов должно выводиться из организма, поскольку их содержание в организме находится в относительном постоянстве. Классификация, основанная на концентрации элементов в организме проста и удобна, но она не отвечает на главный вопрос биологической роли элементов.

Классификация, основанная на биологической роли элементов, делит элементы, обнаруженные в организме, на три группы: жизненно необходимые (биогенные, эссенциальные); условно-необходимые и примесные элементы с мало изученной или неустановленной ролью (рис. 10.2).

Таблица 10.5. Суточное поступление химических элементов в организм человека

Группа эссенциальных элементов включает в себя все макроэлементы, часть микро- и ультрамикроэлементов. Следовательно, концентрация того или иного элемента в организме не определяет его биологическое значение.

Элемент может быть отнесен к биогенным (эссенциальным) элементам, если он удовлетворяет следующим требованиям (Георгиевский В.И. и др., 1979):

Постоянно присутствует в организме в количествах, сходных у разных индивидуумов;

Ткани по содержанию элемента всегда располагаются в определенном порядке;

Питательный рацион, не содержащий этого элемента, вызывает у животных характерные симптомы недостаточности и определенные биохимические изменения в тканях (микроэлементозы);

эти симптомы и изменения могут быть предотвращены или устранены путем добавления данного элемента в пищу.

Рис. 10.2. Классификация биогенных элементов (Георгиевский В.И., 1979)

По мнению основоположников биогеохимии, все имеющиеся в природе элементы необходимы для существования живого вещества. В настоящее время нет единого мнения по биогенным элементам. Ряд авторов относят к числу биогенных элементов 17 химических элементов (H, C, N, O, Ca, Mg, K, Na, P, S, Cl, Fe, Zn, Mn, Cu, Co, Mo). Другие придерживаются иной точки зрения и увеличивают число эссенциальных элементов до 30. Но эта точка зрения не является общепринятой. В группу эссен-циальных элементов МЭ P.J. Aggett (1985) относит МЭ: Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Se, Mo, I, Co. Воспроизведение феномена эссенциальности и, в частности, поддержание жизни, нормального роста и развития, репродуктивной способности, предотвращение заболеваний и преждевременного летального исхода были получено и у потомства животных (Anke M. et al., 1987). Эти авторы различают классические МЭ, перечень которых совпадает с приведенным выше (с добавлением фтора и так называемые новые эссенциальные МЭ: Si, Sn, V, Ni, As, Cd, Li, Pb) (Авцын А.В. и др., 1991). Итак, эта точка зрения пока еще не является общепризнанной:

Доказательством биогенности элемента эти авторы считают распространенность в природе, всасывание, транспорт, выделение из организма, физиологическая роль и патологические процессы, обусловленные дефицитом и избытком МЭ в организме животных и человека;

Токсичные элементы обнаруживаются во всех исследованных органах, причем их концентрация в почках необычно высока - 0,59 ммоль/кг. Ртуть содержится во всех органах, причем в головном мозге его концентрация достигает 0,014 ммоль/кг; еще выше концентрация данного микроэлемента в печени (0,018 ммоль/кг). Таллий во всех органах находится почти на одном уровне (1,96 ммоль/кг) и только в головном мозге увеличивается до 2,44 мкмоль/кг. Содержание Sn также необычно высокое в головном мозге (16,8 мкмоль) и на порядок превышает соответствующие показатели в сердце и почках;

Закономерная реакция на добавку МЭ в состав пищи, возникновение дефицита МЭ при устранении его из диеты, коррекция состояние МЭ с субнормальным уровнем его концентрации в крови или в тканях лабораторных животных;

Содержание МЭ в различных органах и тканях эмбрионов и плодов человека в пренатальном периоде указывает на биогенность элемента. В процессе онтогенеза определенные органы и ткани способны концентрировать те или иные МЭ. Большинство исследователей объясняют это физиологической ролью МЭ и специфической деятельностью органа у новорожденных. Наибольшее количество Cu, Ti содержится в зрительных буграх и продолговатом мозге. В зрелом возрасте Ti концентрируется в коре полушарий большого мозга.

Вероятно, что необходимые элементы (или условно-эссенциальные) также можно обнаружить в различных биосредах в относительно стабильных количествах, однако они не удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям. Участие этих элементов в обменных процессах может ограничиваться отдельными тканями и в ряде случаев требует экспериментального подтверждения. Что касается элементов, роль которых в организме мало изучена или неизвестна, то некоторые из них, по-видимому, случайно накапливаются в организме, поступая с пищей и не выполняя какой-либо полезной функции. Однако строго ограничивать группу биогенных элементов тоже нельзя, поскольку возможно открытие биологической роли новых элементов. Например, в последние годы установлена биотическая роль селена, появились экспериментальные и клинические данные об участии в метаболических процессах фтора, хрома, кремния, мышьяка.

Классификация элементов по степени их биогенности, как и две предыдущие, содержит существенные недостатки: она имеет слишком

общий вид, не отражает механизма влияния элементов на организм и не позволяет достаточно точно предвидеть возможную биологическую роль или токсикологический эффект того или иного элемента. В настоящее время исследователи вынуждены давать индивидуальную оценку каждому элементу. В принципе любой химический элемент, пройдя биогеохимические барьеры, приобретает «биотический вид», т.е. становится биоэлементом. Например, кларк Si и Al в цепочке «почва - растения - животные организмы и человек» прогрессирующе снижается, при этом уменьшаются роль и значение этих двух элементов для живых (биотических) систем. По мере продвижения по пищевой (трофической) цепи у некоторых элементов происходит процесс аккумуляции в живых организмах, (например, цинка), а других элементов (Si, Al, Ti) в количественном выражении становится меньше.

Основу живых систем составляют 6 элементов, так называемых органогенов. К ним относятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Органогены по своему содержанию в организме относятся к макроэлементам, составляя 97,4% массы живого организма, и играют важнейшую роль в поддержании жизнедеятельности. Для органогенов характерно образование водорастворимых соединений, что способствует их концентрированию в живых организмах. Разнообразие биомолекул в живых организмах определяется способностью органогенов к образованию множества различных химических связей. Из органогенов, или «органических макроэлементов», в основном состоят углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава.

Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов и биологически активных веществ в качестве комплексообра-зователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсичных веществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления-восстановления, проницаемость сосудов и тканей (Ершов Ю.А., Плетенева Т.В., 1989).

Микроэлементы непосредственно участвуют в построении витаминов, применяемых в качестве общеукрепляющего и общетонизирующего средства. Примером может служить витамин B 12 (цианкобаламин), в структуру которого входит кобальт - 4,5%. Содержание витаминов в растениях соответствует содержанию в них того или иного микроэлемента. Например, содержание марганца и витамина B 1 . Выявлена взаимосвязь между микроэлементами и витаминами у ряда микроэлементов

(Мп, Cu, Zn), способность влиять на синтез некоторых витаминов - аскорбиновую кислоту, витамин B 1 . К витаминам относятся некоторые органические вещества разнообразной природы. Суточная потребность в них, как и в микроэлементах, измеряется весьма малыми количествами - миллиграммами и даже микрограммами (витамин D - 25 мкг). В организме они обычно участвуют в качестве необходимых компонентов ферментативных процессов путем вхождения элемента в про-стетическую группу фермента.

Общефизиологическое значение микроэлементов связано также и со специфической функцией желез внутренней секреции. Их деятельность связана с содержанием определенных микроэлементов в организме. Например, йод - с функцией щитовидной железы, цинк - с функцией семенников и инсулярного аппарата поджелудочной железы. Экспериментально доказана возможность влияния на функцию щитовидной железы и других микроэлементов Co, Ca. Роль эндокринных желез многообразна. Так, щитовидная железа влияет на белковый, углеводный и жировой обмен веществ, на рост, развитие организма и центральную нервную систему. В свою очередь, гипофиз с его тиреотропным гормоном влияет на функцию щитовидной железы. Микроэлемент может иметь много точек приложения в ферментных системах и, следовательно, через них распространять свое влияние на организм, в том числе и на эндокринные железы.

В организмах постоянно содержатся такие радиоактивные элементы, как радий, уран. В больших концентрациях они угнетают и нарушают нормальное протекание физиологических процессов. Однако при использовании их в чрезвычайно малых концентрациях, близких к естественному содержанию в обычных условиях природы, они могут стимулировать ряд биологически важных процессов. Уран, например, способствует лучшему прорастанию семян, ассимиляции угольной кислоты на свету и усвоению азота корнями растений. Радиоактивные вещества широко применяются в медицине. Поэтому их можно причислить к биотическим элементам. Микроэлементы в организме в основном проявляют активность в ионной форме и, будучи носителями электронного заряда, входят в структуру соответствующих биологически активных веществ.

По данным F. Kieffer (1990), содержание микроэлементов, таких, как ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, медь, селен, молибден, олово, йод, в теле человека находится в пределах между 3 и 100 мг на 70 кг веса. Возникает вопрос: могут ли столь незначительные количества выполнять биологические функции? Проще найти ответ, если

выразить вес в молярных количествах. Величины этих показателей свидетельствуют, что тело человека содержит по меньшей мере 10 19 ионов каждого из этих элементов, если принять за факт, что в теле человека находится примерно 10 14 клеток (эту цифру приводят многие учебники биологии) и что каждая клетка должна содержать от 10 5 до 10 6 ионов этих элементов. Метаболически активные клетки будут содержать даже большее количество, тогда как в случае жиров, хрящей и костей наблюдается противоположная картина. Таким образом, даже самые редкие из элементов способны оказывать физиологическое воздействие на каждую клетку организма.

Мы считаем, что все постоянно содержащиеся в организме элементы выполняют определенную жизненно важную функцию. Современное состояние знаний о биологической роли элементов можно характеризовать как поверхностное прикосновение к этой проблеме. Накоплено много фактических данных по содержанию элементов в различных компонентах биосферы, ответные реакции организма на их недостаток и избыток. Составлены карты биогеохимического районирования и биогеохимических провинций. Но нет общей теории, рассматривающей функции, механизм воздействия и роль микроэлементов в биосфере. Характерным признаком жизненной необходимости элемента является колоколообразный характер кривой, построенной в координатах: ответная реакция организма (R) - доза элемента (Д) (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Зависимость реакции организма от дозы соединений железа в пище в определенном интервале концентраций (по Ершову Ю.А. и др., 2000)

При недостаточном поступлении элемента в организм наносится существенный ущерб росту и развитию организма. Это объяс-

няется снижением активности ферментов, в состав которых входит элемент. При повышении дозы этого элемента ответная реакция организма возрастает, достигает нормы (биотическая концентрация элемента). Чем больше ширина плато, тем меньше токсичность элемента. Дальнейшее увеличение дозы приводит к снижению функционирования вследствие токсического действия избытка элемента вплоть до летального исхода. Дефицит и избыток биогенного элемента наносят вред организму. Все живые организмы реагируют на недостаток и избыток или неблагоприятное соотношение элементов.

Обычные микроэлементы, когда их концентрация в организме превышает биотическую концентрацию, проявляют токсическое действие на организм. Токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на организм. Например, мышьяк при микроконцентрациях оказывает биостимулирующее действие. Следовательно, нет токсичных элементов, а есть токсичные дозы. Таким образом, малые дозы элемента - лекарство, большие дозы - яд. «Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости, одна лишь доза делает яд незаметным», - говорил Парацельс. Уместно вспомнить слова таджикского поэта Рудаки: «Что нынче снадобьем слывет, то завтра станет ядом».

Итак, биогенность 30 элементов установлена. Относительно постоянно содержание в организме человека 70 элементов (в пределах порядка). Отмечаются сильные колебания уровня (несколько порядков) примесных элементов у горожан и относительно низкий уровень примесных элементов у сельских жителей. Постоянство содержания необходимых элементов вероятнее всего определяется эффективными механизмами гомеостаза. Предположения ученых идут еще дальше. «В живом организме не только присутствуют все элементы, но каждый из них выполняет какую-то функцию» (Вернадский В.И., 1937; Авцын А.В. и др., 1991).

В 1937 г. В.И. Вернадский сделал предположение о том, что титан нужен для организма и выполняет определенные жизненно важные функции. Титан относится к числу наиболее распространенных в природе элементов. В земной коре содержание только девяти элементов (О, Fe, Si, Са, Mg, К, Na, Al, Н) превышает титан, массовая доля которого составляет 0,61%. Содержание титана в тканях рыб составляет 10 -4 %, в организме животных, обитающих на суше, - 9 10 -4 %. В организме человека он обнаружен еще в 19 веке. Концентрация его в пределах 10 -6 %. Содержание титана в крови человека колеблется от 2,3 до 20,7 мг% на золу. Цельная кровь содержит 6,53 мкг% титана, эритроциты - 2,34 мкг%, плазма - 2,39 мкг%, лейкоциты - 0,0067 мкг%. В органах челове-

ка содержание титана составляет в среднем 1 мг% на золу или 0,02 мг% на сырое вещество. Распределение титана в различных отделах головного мозга неравномерно. Наибольшее количество его обнаружено в слуховом центре и зрительном бугре. Он постоянно присутствует в женском молоке в количестве 14,7 мг%. Постоянное присутствие титана в эмбрионе указывает на проходимость плаценты для циркулирующих в крови соединений титана и является собирателем соединений титана.

Отмечено возникновение ряда заболеваний при нарушении обмена титана. В развернутой фазе острого лейкоза, при гастрогенной железодефицитной анемии, постгеморрагической анемии, раке, язвенной болезни желудка и при оперативном вмешательстве в ранние послеоперационные сроки содержание титана в крови снижается. Нарушение обмена титана отмечено также при болезни Боткина, токсикозе и нефропатии беременных, у больных микробной экземой и нейродермитом, при ожогах.

В качестве одного из показателей активного включения соединений титана в метаболические процессы можно привести их взаимосвязь с одним из белков плазмы крови - сывороточным альбумином, который обеспечивает биотранспорт низкомолекулярных веществ в организме. Отмечены в основном три фактора влияния соединений титана на биообъекты: интенсификация синтеза аминокислот, белков, углеводов и липидов; активирующее действие на кроветворные, ферментативные системы; участие в обеспечении макро-, микроэлементного гомеостаза и повышение гомеостатической емкости. Следовательно, титан можно отнести к жизненно необходимым неаккумулирующимся элементам (Жолнин А.В., 2005).

10.3. СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ S-ЭЛЕМЕНТОВ

10.3.1. Общая характеристика s-элементов и их соединений

Биогенные элементы подразделяют на элементы: s-, p- и d-блоки. Химические элементы, в атомах которых заполняются электронами s-подуровень внешнего уровня, называют s-элементами. Строение их валентного уровня ns 1-2 . Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов - типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации. Катионы IIА группы имеют меньший радиус и больший заряд и обладают, следовательно, более высоким поляризующим действием,

образуют более ковалентные и менее растворимые соединения. Атомы стремятся принять конфигурацию предшествующего инертного газа. При этом элементы IA и IIA групп образуют соответственно ионы М + и М 2+ . Химия таких элементов является в основном ионной химией, за исключением лития и бериллия, которые обладают более сильным поляризующим действием.

Для s-элементов IA группы небольшой заряд ядер атомов, невысокий потенциал ионизации валентных электронов, большой размер атома и увеличение его в группе сверху вниз определяют состояние их ионов в водных растворах в виде гидратированных ионов. Наибольшее сходство лития с натрием обусловливает их взаимозаменяемость, синергизм их действия. Деструктурирующие свойства в водных растворах ионов калия, рубидия и цезия обеспечивают их лучшую мембранопроница-емость, взаимозаменяемость и синергизм их действия. Концентрация К + внутри клеток в 35 раз выше, чем вне, а концентрация Na + во внеклеточной жидкости в 15 раз больше, чем внутри клетки. Эти ионы в биологических системах являются антагонистами, s-элементы IIA группы в организме находятся в виде соединений, образованных фосфорной, угольной и карбоновой кислотами. Кальций, содержащийся в основном в костной ткани, по своим свойствам близок к стронцию и барию, которые могут замещать его в костях. При этом наблюдаются как случаи синергизма, так и антагонизма. Ионы кальция являются также антагонистами ионов натрия, калия и магния. Сходство физико-химических характеристик ионов Be 2+ и Mg 2+ обусловливает их взаимозаменяемость в соединениях, содержащих связи Mg-N и Mg-O. Этим можно объяснить ингибирование магнийсодержащих ферментов при попадании в организм бериллия. Бериллий - антагонист магния. Следовательно, физико-химические свойства и биологическое действие микроэлементов определяются строением атомов.

В водном растворе ионы способны в небольшой степени к реакциям комплексообразования, образованию донорно-акцепторных связей с монодентатными лигандами (аквакомплексы) и даже с полиден-татными лигандами (эндо- и экзогенными комплексонами). Такие комплексы обладают, как правило, невысокой устойчивостью. Более прочные комплексы образуются с циклическими полиэфирами - краун-эфирами, которые представляют собой плоский многоугольник. Ионы s-элементов имеют связи сразу с несколькими атомами кислорода соединения типа циклической молекулы, которые называют макроциклическими соединениями. Это мембраноактивные комплексо-ны (ионофоры) - соединения, переносящие ионы s-элементов через

липидные барьеры мембран. Молекулы ионофоров имеют внутримолекулярную полость, в которую может войти ион определенного размера, геометрии по принципу ключа и замка. Полость окаймлена активными центрами (эндорецепторами). В зависимости от природы металла может происходить нековалентное взаимодействие (электростатическое, образование водородных связей, проявление ван-дер-ваальсовых сил) со щелочными металлами (грамицидин с Na + , валиномицин с К + [рис. 10.4]) и ковалентное - со щелочноземельными металлами. Образуются при этом супрамолекулы - сложные ассоциаты, состоящие из двух химических частиц или более, удерживаемых вместе межмолекулярными силами.

Двухзарядные ионы элементов IIА группы являются более сильными комплексообразователями. Для них наиболее характерно образование координационных связей с донорными атомами кислорода, а для магния - также с атомами азота (порфириновая система). Из макроци-клических соединений приведенный ниже представитель криптандов высоко селективен по отношению к катиону стронция.

Криптанд - это макроциклический лиганд, который связывает катионы еще более специфично, чем циклические эфиры. В молекулах криптан-дов атомами, общими для всех циклов (узловыми атомами), могут быть С и N, атомами в циклах - О, S и N. Если узловые атомы в молекуле соеди-

нены оксиэтиленовыми цепочками, то в тривиальных названиях крип-тандов цифрами в квадратных скобках перед словом «криптанд» указывается количество эфирных атомов О в каждой цепочке, причем первой указывается наиболее длинная цепь. Размер полости криптанда задается по трем направлениям, а не в плоскости, как это было в случае краун-эфира. Комплексы металлов с криптандами существенно более устойчивые, чем с краун-эфирами.

Соединения криптандов со щелочными металлами носят название криптатов. Механизм действия антибиотика тетрациклина заключается в разрушении рибосом микроорганизмов за счет связывания ионов магния, что определяет лечебный эффект.

Рис. 10.4. Валиномицин фиксируется в центре за счет ион-дипольного взаимодействия с участием карбонильных групп пептида (кружки)

10.3.2. Медико-биологическое значение s-элементов и их соединений

Биологические функции s-элементов очень разнообразны: активация ферментов, участие в процессах свертывания крови, в различных реакциях организма, связанных с изменением проницаемости мембран по отношению к ионам калия, натрия и кальция, участие в образовании мембранного потенциала, в запуске внутриклеточных процессов, таких, как обмен веществ, рост, развитие, сокращение, деление и секреция, перенос информации. Чувствительность клеток к данным ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки, градиентом концентрации (ионной асимметрией). Старение - понижение градиента концентрации, смерть - выравнивание концентрации вне и внутри клетки. Градиент концентрации регулируется связыванием свободных ионов клетки специфическими белками. Одним из немногих универсальных регуляторов жизнедеятельности клеток являются ионы кальция. Градиент концентраций Са 2+ между цитоплазмой и средой на уровне 4 порядков и обеспечивается связыванием Са 2+ в хелатное соединение специфическими белками. Кальмодулин - один из наиболее изученных кальцийсвя-зывающих белков, широко распространенных, и встречается в клетках животных, растений и грибов. Этот белок способен регулировать большое число (более 30 описанных в настоящее время) различных процессов, происходящих в клетке. Поэтому в цитоплазме свободные ионы кальция присутствуют в субмикромолярных концентрациях.

Вещества, регулирующие поток ионов, называются эффекторами, которые делятся на блокаторы и активаторы. Биологическое действие эффекторов может быть весьма разнообразным как по направлению, так и по интенсивности воздействия. Вещества, обеспечивающие повышение градиента концентрации, активизируют внутриклеточные процессы, рост и развитие организма и являются активаторами метаболических процессов. Вещества, обеспечивающие снижение градиента концентрации, наоборот, ингибируют внутриклеточные процессы, снижают интенсивность обменных процессов в организме. Внутриклеточная регуляция процессов с помощью эффекторов нам представляется перспективным механизмом управления ростом и развитием живого организма. Поэтому весьма актуальным и важным направлением научных исследований являются поиск и синтез высокоизбирательных и эффективных эффекторов, биорегуляторов

внутриклеточных процессов, способных изменять свойства K + -, Na + -, Са 2+ -каналов за счет взаимодействия со специфическими участками его структуры - рецепторами, которые могут быть либо на поверхности, либо скрыты в глубине этих каналов.

В нормальных условиях ионы кальция играют роль важнейших вторичных посредников, участвующих в запуске внутриклеточных процессов (биосинтез, сокращение, деление, секреция). Они отвечают на сигналы первичных посредников биохимических процессов, в роли которых выступают различные биологически активные вещества (эффекторы): медиаторы, гормоны, витамины, ферменты, факторы роста. Связывание эффектора с рецепторами подчиняется закону действующих масс.

В клинической практике применяются блокаторы в сердечнососудистой терапии (стенокардия, аритмия, инфаркт миокарда), иммунологии, химиотерапии онкологических заболеваний. Верапамил, дигидропиридил ингибируют на 80-90% образование метастазов меланомы, значительно снижают адгезию (прилипание) опухолевых клеток к эндотелию и образованию колоний. Система регуляции градиента концентрации вне и внутри клеток является перспективным направлением в биотехнологии (химической ионике) для получения важных веществ из клеток-продуцентов (р-клетки - источник инсулина, гипофизарные клетки - продуценты гормонов, фибробласты - источники факторов роста). Кроме активации ферментов, ионы щелочных металлов играют важную роль в осмотическом давлении, действуют как переносчики зарядов при передаче нервного импульса, стабилизируют структуру нуклеиновых кислот. Ионы кальция, магния инициируют некоторые физиологические процессы, такие, как сокращение мышц, секрецию гормонов, свертывание крови и др. Содержание ионов натрия, кальция и хлора во внеклеточной среде выше, а ионов калия и магния - наоборот. Стационарное состояние достигается при равенстве потоков ионов калия внутрь клетки (активный транспорт) и из клетки за счет диффузии. Обратное явление наблюдается при транспорте ионов натрия. Существование калиево-натриевого градиента концентраций приводит к возникновению мембранного и диффузионного потенциалов. Увеличение концентраций калия вне клетки в 2 раза приводит к нарушению сердечного ритма и смерти, биологическая роль других ионов s-элементов пока неясна. Известно, что введением в организм ионов лития удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза.

В последние годы заметно возрос интерес к проблемам клеточной регуляции, а также к поиску путей использования этих процессов в медицине, биотехнологии и сельском хозяйстве. В процессе жизнедеятельности границы клетки пересекают разнообразные вещества, потоки которых эффективно регулируются. С этой задачей справляется клеточная мембрана с встроенными в нее транспортными системами, включающими ионные насосы, систему молекул-переносчиков и высокоселективные ионные каналы. В настоящее время ключевые участки процессов, ощущаемых клеткой в виде внешних стимулов, изучены и обнаружены универсальные передатчики этих сигналов - Na+-, K+-, Ca 2+ -каналы. Высокая чувствительность клеток к ионам натрия, калия, кальция обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки (ионной асимметрией, мембранным потенциалом).

10.4. СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ D-ЭЛЕМЕНТОВ

10.4.1. Общая характеристика d-элементов и их соединений

Элементы d-блока - это элементы, у которых происходит достройка d -подуровня предвнешнего уровня. Они образуют В-группы (табл. 10.6). Электронное строение валентного уровня d -элементов: (n - 1)d 1-10 , ns 1-2 . Они расположены между s- и p-элементами, поэтому получили название «переходные элементы». d -Элементы образуют 3 семейства в больших периодах и включают по 10 элементов (4-й период семейство Sc 21 -Zn 30 , 5-й период - Y 39 -Cd 48 , 6-й период - La 57 -Hg 80 , 7-й период - Ac 89 -Mt 109).

Таблица 10.6. Положение d-элементов в периодической системе и их биоген-ность

Вслед за лантаном 5 d 1 6s 2 предполагается появление еще 8 элементов с все возрастающим количеством 5d-электронов. В связи с тем, что 4f оболочка лантана несколько более устойчива, чем 5d, у последующих 14 элементов электроны заполняют 4f оболочку, пока она целиком не застроится. Эти элементы называются f-элементами. Они занимают в периодической системе одну клетку с лантаном, так как имеют общие с ними свойства и называются лантаноидами.

Особенности свойств d-элементов определяются электронным строением их атомов; во внешнем электронном слое содержится, как правило, не более 2 s-электронов, р-подуровень свободный, происходит заполнение d-подуровня предвнешнего уровня. Свойства простых веществ d-элементов определяется в первую очередь структурой внешнего слоя и лишь в меньшей степени зависят от строения предшествующих электронных слоев. Невысокие значения энергии ионизации этих атомов указывают на сравнительно слабую связь внешних электронов с ядром. Это определяет их общие физические и химические свойства, исходя из которых следует отнести простые вещества d-элементов к типичным металлам. Для V, Сr, Mn, Fe, Co энергия ионизации составляет соответственно от 6,74 до 7,87 эв. Именно поэтому переходные элементы в образуемых ими соединениях проявляют только положительную степень окисления и проявляют свойства металлов. Большая часть d-элементов - это тугоплавкие металлы. По химической активности d-элементы весьма разнообразны. Такие, как Sc, Mn, Zn, наиболее химически активны (как щелочноземельные).

Наиболее химически устойчивы Au, Pt, Ag, Сu. В 1 ряду инертны Ti, Сr, В семействе Sc и Zn наблюдается плавный переход в изменении химических свойств слева направо, так как возрастание порядкового номера не сопровождается существенным изменением структуры внешнего электронного слоя, происходит только достройка d-подуровня предпоследнего уровня. Поэтому химические свойства в периоде хотя и закономерно, но гораздо менее резко изменяются, чем у элементов А групп, в которых ряд начинается активным металлом и заканчивается неметаллом. По мере увеличения заряда ядра d-элементов слева направо возрастает энергия ионизации, необходимая для отрыва электрона. В пределах одного семейства (декады) устойчивая максимальная степень окисления элементов сначала возрастает, благодаря увеличению числа d-электронов, способных участвовать в образовании химических связей, а затем убывает (вследствие усиления взаимодействия d-электронов с ядром по мере увеличения его заряда). Так, максимальная степень окисления Sc, Ti, V, Сr, Mn совпадает с номером

группы, в которой они находятся, у последнего не совпадает, для Fe равна 6, для Со, Ni, Сu - 3, а для Zn - 2 и соответственно меняется устойчивость соединений, отвечающих определенной степени окисления. В степени окисления +2 оксиды TiO и VO - сильные восстановители, неустойчивы, а СuО и ZnO не проявляют восстановительных свойств и устойчивы. Водородных соединений не образуют.

Как изменяются свойства элементов в различных семействах сверху вниз? Размеры атомов сверху вниз от d-элементов 4 периода к d-элементам 5 периода возрастают, энергия ионизации уменьшается, и металлические свойства увеличиваются. Когда переходим от 5 к 6 периоду, то размер атомов остается практически без изменений, свойства атомов также близки, например, Zn и Hf по свойствам очень близки и их трудно разделить. То же можно сказать о Мо и W, Те и Re. Элементы 6 периода идут после семейства лантаноидов, за счет этого происходит дополнительное возрастание заряда ядра атома, а это приводит к оттягиванию электронов, более плотной их упаковке - происходит лантаноидное сжатие.

В физических и химических свойствах простых веществ d-элементов много общего для типичных металлов. Общность и различие их проявляются особенно в химических свойствах соединений d-элементов. d-Элементы имеют довольно много валентных электронов (Mn от 2 до 7 ē), энергия которых различна, и они не всегда и не все принимают участие в образовании связей. Поэтому d-элементы проявляют переменную степень окисления, следовательно, для них характерны реакции окисления-восстановления. Степени окисления элементов Sc-Zn представлены в табл. 10.7. d-Элементы способны проявлять степень окисления +2 за счет потери 2s-электронов, характерна также степень окисления +3 (исключение Zn). Высшая степень окисления большинства d-элементов

Таблица 10.7. Характеристика степени окисления d-элементов 4 периода

соответствует номеру группы, в которой они находятся. С увеличением порядкового номера d -элемента значение устойчивой степени окисления возрастает. Отрицательную степень окисления не проявляют, следовательно, водородных соединений не образуют.

Как следует из таблицы, наибольшее число переменных степеней окисления у элементов в VB-VIIВ группах. Поэтому для элементов этих групп наиболее характерны реакции окисления-восстановления.

В связи с тем что d-элементы способны проявлять различные степени окисления, они способны образовывать соединения, резко отличающиеся по кислотно-основным свойствам. Свойства оксидов и гидрооксидов зависят от степени окисления образующего их d-элемента. По мере повышения степени окисления d-элемента ослабевает основной характер их и усиливается кислотный характер. В степени окисления +2 проявляют только основной характер, промежуточной степени окисления - амфотерный характер и в высшей степени - кислотный характер:

В ряду d-элементов в высшей степени окисления в периоде слева направо кислотный характер соединений возрастает от Sc к Zn:

В низшей степени окисления -1, -2 соединения проявляют основные свойства. В группах сверху вниз усиливается основный характер:

В организме d-элементы представлены как существующие в виде гидратированных, гидролизованных ионов, но чаще в виде биоорганических комплексов. Они выступают в качестве сильных комплексообразователей, что обусловлено наличием на d-подуровне предвнешнего уровня валентных электронов. Способность образовывать комплексные соединения обусловлена наличием в их атомах свободных орбиталей (одной s-, трех р- и пяти

d-орбиталей), проявляя к.ч. = 6, реже 2, 3, 5 и 8 для образования связи с полидентатными лигандами с образованием хелатов (биокастеров, гете-ровалентных и гетероядерных соединений).

В кислых средах ионы d-элемента находятся в виде гидратирован-ных ионов [М(Н 2 О) m ] n+ . При повышении pH гидратированные ионы многих d-элементов вследствие большого заряда и небольшого размера иона обладают высоким поляризующим влиянием на молекулы воды, акцепторной способностью к гидроксид-ионам, подвергаются гидролизу катионного типа, образуют прочные ковалентные связи с ОН - . Процесс заканчивается либо образованием основных солей (m-n)+ , либо малорастворимых гидроксидов М(ОН) n , либо гидроксокомплексов (m-n)- . Процесс гидролитического взаимодействия может протекать с образованием многоядерных комплексов в результате реакции полимеризации:

10.4.2. Медико-биологическое значение d-элементов и их соединений

Большинство биогенных элементов - это члены второго, третьего и четвертого периодов периодической системы Д.И. Менделеева. Это относительно легкие атомы, со сравнительно небольшим зарядом ядер.

Содержание d-элементов не превышает 10 -3 %. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других жизненно важных соединений. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы: Fе, Со, Mn, Zn, Мо, V, В, W; в синтезе белков участвуют: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, в кроветворении - Со, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn и Со. Поэтому микроэлементы нашли широкое применение в медицине, в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормки в животноводстве, птицеводстве и рыбоводстве. Микроэлементы входят в состав большого числа биорегуляторов живых систем, в основе которых лежат биокомплексы. Ферменты - это особые белки, которые действуют как катализаторы в биологических системах. Ферменты - уникальные катализаторы, обладающие непревзойденной эффективностью действия и высокой селективностью. Пример эффективности протекания реакции разложения перекиси водорода 2Н 2 О 2 ↔ 2Н 2 О + О 2 приведен в табл. 10.8.

Таблица 10.8. Энергия активации (Еа) и относительная скорость реакции разложения H 2 O 2

В настоящее время известно более 2000 ферментов, многие из которых катализируют одну реакцию. Активность большой группы ферментов проявляется только в присутствии определенных соединений небелковой природы, называемых кофакторами. В качестве кофакторов выступают ионы металлов или органические соединения. Примерно третья часть ферментов активируется переходными металлами.

Ионы металлов в ферментах выполняют ряд функций: являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата, формируют каталитически активную конформацию структуры фермента (в формировании спиральной структуры РНК участвуют ионы цинка и марганца), участвуют в транспорте электронов (комплексы переноса электрона). Способность иона металла выполнять свою роль в активном центре соответствующего фермента зависит от способности иона металла к комплексообразованию, геометрии и устойчивости образуемого комплекса. Это обеспечивает повышение селективности фермента по отношению к субстратам, активации связей в ферменте или субстрате посредством координации и изменения формы субстрата в соответствии со стерическими требованиями активного центра. Биокомплексы различаются по устойчивости. Одни из них настолько прочны, что постоянно находятся в организме и выполняют определенную функцию. В тех случаях когда связь кофактора и белка фермента прочна и разделить их трудно, его называют «простетической группой». Такие связи обнаружены в ферментах, содержащих гемком-плексное соединение железа с производным порфина. Роль металлов таких комплексов высокоспецифична: замена его даже на близкий по свойствам элемент приводит к значительной или полной утрате физиологической активности. Данные ферменты относят к специфическим ферментам.

Примерами таких соединений являются хлорофилл, полифени-локсидаза, витамин B 12 , гемоглобин и некоторые металлоферменты

(гемоглобин, цитохромы). Немногие ферменты участвуют только в одной определенной или единственной реакции. Каталитические свойства большинства ферментов определяются активным центром, образуемым разными микроэлементами. Ферменты синтезируются на период выполнения функции. Ион металла выполняет роль активатора, и его можно заменить ионом другого металла без потери физиологической активности фермента. Такие ферменты отнесены к неспецифическим.

В организме присутствуют и менее прочные комплексы, которые образуются только для выполнения определенных функций, после чего распадаются: например, образование между ионом металла и ферментом комплексного соединения на период осуществления катализа. Большинство таких ферментов обладает каталитической активностью, но без иона металла она будет ниже. Ионы металлов выполняют функцию активаторов. Специфичность металлов в этих комплексах не выражена. Он может быть заменен на другой металл без потери физиологической активности. К биологическим соединениям с невысокими значениями констант устойчивости можно отнести соединения, которые стабилизируют сложные структуры. Например, образование металлополинуклеотидных комплексов стабилизирует двойную спираль ДНК. Комплексы с ДНК (в основном с донорным атомом кислорода фосфатных групп, частично с донорными атомами азота оснований) образуют двухзарядные ионы Mn 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Ni 2+ . Они взаимозаменяемы. Промежуточное положение между этими двумя группами биокомплексов занимают диссоциирующие металлофермен-ты. Ионы металлов в этих комплексах выполняют функции кофактора. Например, карбоксипептидаза при отсутствии иона металла неактивна. Максимальная активность в присутствии иона цинка.

Один микроэлемент может активировать работу различных ферментов, а один фермент может быть активирован различными микроэлементами. Наибольшую близость в биологическом действии оказывают ферменты с микроэлементами с одинаковой степенью окисления +2.

Как видно, для микроэлементов переходных элементов в их биологическом действии характерно больше горизонтальное сходство, чем вертикальное в периодической системе Д.И. Менделеева (в ряду Ti-Zn). Значения атомных и ионных радиусов, энергий ионизации, координационных чисел, склонность к образованию связей с одними и теми же элементами в молекулах биолигандов обусловливают эффекты, наблюдаемые при взаимном замещении ионов: может происходить как с усилением (синергизм), так и с угнетением их биологической активности (антагонизм) замещаемого элемента. Ионы d-элементов в степени окисления +2 (Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Zn 2+) имеют сходные физико-химические характеристики, что обусловливает их частичную взаимозамещаемость и параллелизм в биологическом действии. В виде комплексов с органическими соединениями, в том числе в металло-ферментах, они стимулируют процессы кроветворения, усиливают процессы обмена веществ. Синергизм элементов в процессах кроветворения связан, возможно, с участием ионов этих элементов в различных этапах процесса синтеза форменных элементов крови человека.

Повышение прочности биокомплекса фермента повышает специфичность его биологического действия. На эффективность ферментативного действия иона металла фермента оказывает влияние его степень окисления. Комплексонаты, образованные ионом металла с более высокой степенью окисления, малым размером иона, более высоким сродством к электрону, обладают наиболее высоким стимулирующим эффектом. По интенсивности влияния микроэлементы расположены в следующий ряд: Ti 4+ → Fe 3+ → Cu 2+ → Fe 2+ → Mg 2+ → Mn 2+ . Ион Mn 3+ , в отличие от иона Mn 2+ , очень прочно связан с белками, причем преимущественно с кислородсодержащими группами совместно Fe 3+ входит в состав металлопротеинов. Микроэлементы в комплексонат-ной форме выступают в организме в качестве фактора, определяющего, по-видимому, высокую чувствительность клеток к микроэлементам путем их участия в создании высокого градиента концентрации.

Итак, с повышением прочности комплекса повышается специфичность его биологического действия.

В живых организмах действует большое число ферментов, в состав которых входят ионы металлов, выполняющие следующие функции:

1)они являются электрофильной группой активного центра фермента и облегчают взаимодействие с отрицательно заряженными участками молекул субстрата;

2)ион металла формирует каталитически активную конформацию структуры фермента;

3) в ряде случаев ионы металла, которые могут находиться в переменных степенях окисления, участвуют в транспорте электронов (многоядерные комплексы).

Концентрации ионов d-элементов в организме поддерживаются постоянными за счет существования механизма металлолигандного гомеостаза, основными звеньями которого являются всасывание, распределение, транспорт, депонирование и элиминация. Параметры всасывания и элиминации в норме сбалансированы, т.е. при уменьшении поступления в организм того или иного микроэлемента уменьшается его выведение, и наоборот. Для поддержания постоянной концентрации ионов металлов в организме существуют депонированные и транспортные формы. Например, железо в организме млекопитающих депонируется в составе ферритина - водорастворимого белка, в котором находится мицеллярное ядро неорганического соединения железа (III). В депонированной форме находится около 25% железа. Регуляция металлолигандного гомеостаза осуществляется с помощью нервной, эндокринной и иммунной систем. Комплексонаты переходных металлов обеспечивают сбалансированность минерального питания, активизируют метаболические процессы, интенсифицируют рост и развитие организма.

В живом организме многие процессы имеют циклический, волнообразный характер. Химические процессы, лежащие в их основе, должны быть обратимы. Обратимость процессов определяется взаимодействием термодинамических и кинетических факторов. К обратимым относятся реакции, имеющие константы от 10 -3 до 10 3 и с небольшим значением ΔG o - и E°-процессов. При этих условиях концентрации исходных веществ и продуктов реакции могут находиться в соизмеримых концентрациях, и при изменении их в некотором диапазоне можно добиваться обратимости процесса. С кинетических позиций должны быть низкие значения энергии активации. Поэтому удобным переносчиком электронов в живых системах являются ионы металлов (железо, медь, марганец, кобальт, молибден, титан и др.). Присоединение и отдача электрона вызывают изменения лишь электронной конфигурации иона металла, не изменяя существенно структуру органической составляющей комплекса. Уникальная роль в живых системах отведена двум окислительно-восстановительным системам: Fe 3+ /Fe 2+ и Cu 2+ /Cu + . Биолиганды стабилизируют в большей степени в первой паре окисленную форму, а во второй паре - преимущественно восстановленную. Поэтому у систем, содержащих железо, формальный потенциал всегда ниже, а у систем, содержащих

медь, часто выше; окислительно-восстановительные системы, имеющие в своем составе медь и железо, перекрывают широкий диапазон потенциалов, что позволяет им со многими субстратами вступать во взаимодействие, сопровождающиеся умеренными изменениями ΔG° и Е°, что отвечает условиям обратимости. Важным этапом обмена веществ является отщепление водорода от питательных веществ. Атомы водорода переходят при этом в ионное состояние, а отделенные от них электроны поступают в дыхательную цепь; в этой цепи, переходя из одного соединения к другому, они отдают свою энергию на образование одного из основных источников энергии - адено-зинтрифосфорную кислоту (АТФ), а сами в конечном счете попадают к молекуле кислорода и присоединяются к ней, образуя молекулы воды. Мостиком, по которому осциллируют электроны, служат комплексные соединения железа с порфириновым ядром, аналогичные по составу гемоглобину.

Большая группа железосодержащих ферментов, которые катализируют процесс переноса электронов в митохондриях, называется цитохромами (ц.х.). Всего известно около 50 цитохромов. Цитохромы представляют собой железопорфирины, в которых все шесть орбита-лей иона железа заняты донорными атомами биолиганда. Различие цитохромов только в составе боковых цепей порфиринового кольца. Вариации в структуре биолиганда вызывает различие в величине потенциалов. Все клетки содержат, по крайней мере, три близких по строению белка, названных цитохромами а, b, с.

Одним из механизмов функционирования цитохромов, составляющих одно из звеньев электронно-транспортной цепи, является перенос электрона от одного субстрата к другому.

С химической точки зрения цитохромы являются соединениями, проявляющими в обратимых условиях окислительно-восстановительную двойственность.

Перенос электрона цитохромом сопровождается изменением степени окисления железа: ц.х. Fe 3+ + ē → ц.х. Fe 2+ .

Ионы кислорода реагируют с ионами водорода окружающей среды и образуют воду или перекись водорода. Пероксид быстро разлагается специальным ферментом каталазой на воду и кислород по схеме:

Фермент пероксидаза ускоряет реакции окисления органических веществ перекисью водорода по схеме:

Эти ферменты в своей структуре имеют гем, в центре которого находится железо со степенью окисления +3.

В цепи переноса электронов цитохром передает электроны цитохромам, называемым цитохромоксидазами. Они имеют в своем составе ионы меди. Цитохром - одноэлектронный переносчик. Наличие наряду с железом в составе одного из цитохромов меди превращает его в двухэлектронный переносчик, что позволяет регулировать скорость процесса.

Медь входит в состав важного фермента - супероксиддисмутазы (СОД), которая утилизирует в организме токсичный супероксид анион-радикал O 2 - путем реакции:

Водородпероксид разлагается в организме под действием каталазы.

В настоящее время известно около 25 медьсодержащих ферментов. Они составляют группу оксигеназ и гидроксилаз.

Комплексы переходных элементов являются источником микроэлементов в биологически активной форме, обладающих высокой мембра-нопроницаемостью и ферментативной активностью. Они участвуют в защите организма от «окислительного стресса». Это связано с их участием в утилизации продуктов метаболизма, определяющих неконтролируемый процесс окисления (перекисями, свободными радикалами и другими кислородактивными частицами), а также в окислении субстратов. Механизм свободнорадикальной реакции окисления субстрата (RH) перекисью водорода с участием в качестве катализатора комплекса железа (FeL) можно представить схемами реакций:

Дальнейшее протекание радикальной реакции приводит к образованию продуктов с более высокой степенью гидроксилирования.

10.5. СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ Р-ЭЛЕМЕНТОВ

10.5.1. Общая характеристика р-элементов и их соединений

Элементы, у которых происходит достройка р-подуровня внешнего валентного уровня, называют р-элементами, они образуют главные подгруппы. Электронное строение валентного уровня ns 2 р 1-6 . Валентными являются электроны s- и р-подуровней. Положение р-элементов в ПСЭ представлено в табл. 10.9.

Таблица 10.9. Положение р-элементов в периодической системе элементов

Примечание: () - металлы жизни; - условно биогенные элементы.

Элементы-органогены имеют небольшие радиусы атомов и промежуточные значения электроотрицательностей, что благоприятствует образованию прочных ковалентных связей.

В периодах слева направо возрастает заряд ядер, влияние которого превалирует над увеличением сил взаимного отталкивания между электронами. Поэтому потенциал ионизации, сродство к электрону, а следовательно, акцепторная способность и неметаллические свойства в периодах увеличиваются. Все элементы, лежащие на диагонали B-At и выше, являются неметаллами и образуют только ковалент-ные соединения и анионы. Все остальные р-элементы (за исключением In, Tl, Po, Bi, которые проявляют металлические свойства), являются амфотерными элементами и образуют как катионы, так и анионы, причем и те, и другие сильно гидролизуются. Большинство р-элементов-неметаллов - биогенные (исключение - теллур, астат и благородные газы). Из р-элементов-металлов к биогенным относят только алюминий.

Различия в свойствах соседних элементов как внутри, так и по периоду выражены значительно сильнее, чем у s-элементов. р-Элементы

второго периода - азот, кислород, фтор - обладают ярко выраженной способностью участвовать в образовании водородных связей. Элементы третьего и последующего периодов эту способность теряют. Их сходство заключается только в строении внешних электронных оболочек и тех валентных состояний, которые возникают за счет неспаренных электронов в невозбужденных атомах. Бор, углерод и особенно азот сильно отличаются от остальных элементов своих групп (наличие d- и f-подуровней).

Отмеченные тенденции к образованию различных типов связей представлены на рис. 10.5 для элементов II и III периодов.

Рис. 10.5. Закономерности образования соединений элементов II и III периодов

Все р-элементы, и в особенности р-элементы второго и третьего периодов (С, N, P, О, S, Si, Cl), образуют многочисленные соединения между собой и с s-, d- и f-элементами. Большинство известных на Земле соединений - это соединения р-элементов. Пять главных (макробиогенных) р-элементов - О, P, С, N и S - это основной строительный материал, из которого сложены молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Из низкомолекулярных соединений р-элементов наибольшее значение имеют оксоанионы: СО 3 2- , НСО 3 - , С 2 О 4 2- , СН 3 СОО - , РО 4 3- , НРО 4 2- , H 2 PO 4 - , SО 4 2- и галогенидионы. р-Элементы имеют много валентных электронов, обладающих различной энергией. Поэтому в соединениях проявляют различную степень окисления. Например, углерод проявляет различные степени окисления от -4 до +4. Азот - от -3 до +5, хлор - от -1 до +7.

В процессе реакции р-элемент может отдавать и принимать электроны, выступая соответственно восстановителем или окислителем в зависимости от свойств элемента, с которым вступает во взаимодействие. Это порождает широкий ассортимент образуемых ими соединений. Взаимопереход атомов р -элементов различных степеней окисления, в том числе и за счет метаболических процессов (окисление спиртовой

Соединения углерода проявляют окислительные свойства, если в результате реакции атомы углерода увеличивают число его связей с атомами менее электроотрицательных элементов (металл, водород), потому что, притягивая к себе общие электроны связей, атом углерода понижает свою степень окисления:

Соединения углерода проявляют восстановительные свойства, если в результате реакции атомы углерода увеличивают число его связей с атомами более электроотрицательных элементов (О, N, S), потому что, отталкивая от себя общие электроны этих связей, атом углерода повышает свою степень окисления:

Перераспределение электронов между окислителем и восстановителем в органических соединениях может сопровождаться лишь смещением общей электронной плотности химической связи к атому, выполняющему роль окислителя. В случае сильной поляризации эта связь может и разорваться.

10.5.2. Медико-биологическое значение p-элементов и их соединений

Азот является биогенным элементом, необходимым для существования животных и растений, он входит в состав белков (16-8% по массе), аминокислот, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина и др. В составе живых клеток по числу атомов азота около 2%, по массовой доле - около 2,5% (4-е место после водорода, углерода и кислорода). Кларк азота в земной коре равен

0,025%.

Азот - основной компонент воздуха: его объемная доля равна 78,2%. Во вдыхаемом воздухе азот служит полезным разбавителем кислорода. Однако вследствие растворения азота в крови при резком снижении окружающего давления возможно возникновение кессонной болезни.

Аммиак NH 3 в организме человека является одним из продуктов дезаминирования аминокислот, белков, биогенных аминов, пуриновых и пиримидиновых оснований, поступающих с пищей.

В организме человека обязательно синтезируется NO с помощью фермента NO-синтазы из аминокислоты аргинина. Время жизни NO в клетках организма порядка секунды, но их нормальное функционирование невозможно без NО. Это соединение обеспечивает расслабление гладкой мускулатуры мышц сосудов, регуляцию работы сердца, эффективную работу иммунной системы, передачу нервных импульсов. Предполагают, что NO обеспечивает важную роль в обучении и запоминании.

Окислительно-восстановительные реакции, в которых участвуют р-элементы, лежат в основе их токсического действия на организм. Токсическое действие оксидов азота связано с их высокой окислительно-восстановительной способностью. Нитраты, попадающие в продукты питания, в организме восстанавливаются до нитритов.

Нитриты обладают высокими токсическими свойствами. Они превращают гемоглобин в метгемоглобин, который является продуктом гидролиза и окисления гемоглобина.

В результате гемоглобин теряет способность транспорта кислорода к клеткам организма. В организме развивается гипоксия. Кроме того, нитриты, как соли слабой кислоты, реагируют с соляной кислотой в желудочном содержимом, образуя при этом азотистую кислоту, которая с вторичными аминами образует канцерогенные нитрозамины:

Фосфор и его соединения играют выдающуюся роль в биологии человека, животных, растений, микроорганизмов и других носителей жизни. «Фосфор - элемент жизни и мысли» - писал А.Е. Ферсман. В организме человека содержится около 1% фосфора по массе, что позволяет смело отнести его к макроэлементам. Суточная потребность в фосфоре составляет 1,3 г. В природе и организме фосфор встречается только в формах, содержащих фосфат-анион. Это обусловлено тем, что фосфор образует с кислородом более прочные связи, чем с другими органогенами. Все они имеют тетраэдрическую структуру, в которой атом фосфора расположен в центре тетраэдра, а атомы кислорода - в его вершинах. Тетраэдрические структуры могут объединяться между собой одной, двумя или тремя вершинами. При объединении двумя вершинами образуются полифосфаты, например трифосфатион.

Фосфаты в живых организмах служат структурными компонентами скелета, клеточных мембран и нуклеиновых кислот. Костная ткань построена главным образом из гидроксиапатита Са 5 (РО 4) 3 ОН. Из 1,5 кг фосфора условного человека 1,4 кг содержатся в костной ткани. Основу клеточных мембран составляют фосфолипиды. В фосфо-липидах фосфорная кислота образует две сложноэфирные связи: одну с глицерином, другую - с аминоспиртом (холинолом, этаноламином или серином). Нуклеиновые кислоты состоят из рибозоили дезокси-рибозофосфатных цепей. В цепях полинуклеотидов - ДНК и РНК - каждый остаток фосфорной кислоты, кроме двух концевых, образует по две сложноэфирные связи: одну с группой -ОН в положении С-5" остатка пентозы одного полинуклеотида, а другую - с группой -ОН в положении С-3" остатка пентозы соседнего полинуклеотида.

В.А. Энгельгардом и М.Н. Любимовым открыта энергетическая роль фосфора в живых организмах. В.А. Энгельгард еще в 1948 году писал, что биохимическую динамику клетки можно характеризовать как химию соединений фосфорной кислоты. За последние 40-50 лет накопилось огромное множество данных о многообразном значении органических и неорганических соединений фосфора в биологических системах. Выяснена их ключевая роль практически во всех процессах анаболизма и катаболизма, в частности гликолиза и фотосинтеза, сборке макромолекул и аккумуляции энергии. Фосфор входит

в состав нуклеопротеинов, фосфолипидов, сахарофосфатов, ряда витаминов и ферментов. Органические соединения фосфора участвуют во многих окислительно-восстановительных реакциях: карбоксили-рования, декарбоксилирования, ацетилирования, переаминирования, а также в качестве коферментов переноса фосфатных групп АТФ, АДФ и АМФ.

Высокомолекулярные неорганические полифосфаты представляют собой линейные полимеры ортофосфорной кислоты, в которых фосфорные остатки связаны между собой фосфоангидридными связями. Они имеются практически у всех групп организмов. В наибольшем количестве они накапливаются в клетках микроорганизмов, в частности в некоторых бактериях, составляя при определенных условиях выращивания до 36% сухого вещества клетки. С момента открытия у бактерий гранул волютина, состоящих в основном из осмотически инертных высокомолекулярных полифосфатов кальция, магния и калия, эти биополимеры стали рассматривать в первую очередь как резервы фосфата. Высокомолекулярные полифосфаты бактерий аналогичны по функциям так называемым «фосфогенам» животных - креатинфосфату и аргининфосфату. Фосфогены - это соединения, в виде которых в клетках как бы «складируются» богатые энергией фосфатные остатки АТФ и которые в то же время в любой нужный момент могут использоваться для синтеза этого важнейшего макроэр-гического соединения.

Многие коферменты являются эфирами либо фосфорной, либо дифосфорной кислот. Важнейшие окислители в метаболических

окислительно-восстановительных реакциях - никотинамиддинуклео-тид (НАД+) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) - сложные эфиры дифосфорной кислоты. Восстановленная форма никотинамиддинукле-отидфосфата (НАДФH) выполняет функцию восстановителя во многих метаболических реакциях.

Соединения фосфора находят широкое применение в народном хозяйстве и медицине. Многие фосфорорганические вещества применяются в качестве лекарственных препаратов, например димефосфон оказывает мембраностабилизирующее, иммуномодулирующее и радиопротекторное действия, клодроновая кислота ингибирует костную резорбцию и нормализует содержание кальция в костной ткани.

В качестве фосфорных и комплексных удобрений используются чаще всего суперфосфат Са(Н 2 РO 4) 2 , преципитат СаНРO 4 и аммофос - смесь кислых солей аммония и ортофосфорной кислоты (NH 4) 2 HPO 4 и NH 4 H 2 PO 4 . Ортосфорная кислота применяется в ряде стран в качестве подкислителя различных напитков. Гидрофосфаты калия KH 2 PO 4 и К 2 НРО 4 входят в состав пекарских дрожжей, гидрофосфат калия K 2 HPO 4 является одним из компонентов питательной среды для выращивания грибов, продуцирующих пенициллины. Гексагидрат трифосфата натрия № 5 Р 5 О 10 6Н 2 O добавляется в некоторые продукты для повышения их однородности (сыры, сгущенное молоко и др.). Трифосфат натрия является также компонентом многих моющих средств. Дигидрофосфат натрия ограниченно применяется как слабительное в клизмах.

Биологическое действие высокомолекулярных органических соединений (аминокислот, полипептидов, белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) определяется атомами (N, P, S, О) или образуемыми группами атомов (функциональными группами), в которых они выступают в качестве химически активных центров, доноров электронных пар, способных к образованию координационных связей с ионами металлов и органическими молекулами. Следовательно, р -элементы образуют полидентат-ные хелатирующие соединения (аминокислоты, полипептиды, белки, углеводы и нуклеиновые кислоты). Для них характерны реакции ком-плексообразования, амфотерные свойства, реакции гидролиза анионного типа. Данные свойства определяют их участие в основных биохимических процессах, в обеспечении состояния изогидрии. Они образуют белковые, фосфатные, гидрокарбонатные буферные системы. Участвуют в транспорте питательных веществ, продуктов метаболизма и других процессах.

10.6. РОЛЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОЦЕССАХ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМА К ВОЗДЕЙСТВИЯМ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Одной из центральных проблем в современной биологии и медицине, имеющей фундаментальную значимость, имеет адаптация, которая проявляется как на популяционном, так и на индивидуальном уровнях. В настоящее время на арену жизни выходят принципиально новые воздействия, которые угрожают постоянству сохранения внутренней среды организма, вызывают напряжение как наиболее универсальных, так и достаточно специфических регу-ляторных и гомеостатических систем. Кроме того, увеличивается число действующих факторов различной природы, начиная от космических, физических, химических, включая лекарственные препараты, и социальные, что приводит проблему адаптации и эволюции организма в новое русло, определяемое тем, что конечный биотроп-ный эффект, т.е. сохранение постоянства внутренней среды, достигается громадным напряжением большого количества сопряженных между собой систем, которые в ряде случаев уже не способны выполнять свои эволюционно закрепленные функции, что чревато наступлением болезней адаптации.

Необходимо управлять адаптацией, способствовать повышению выносливости организма. Одним из условий для этого является своевременное, полноценное и рациональное питание. Недостаточность или избыточность минеральных веществ, микроэлементов в рационе сказываются на деятельности организма, снижают его сопротивляемость, а следовательно, и способность к адаптации. На основе многофакторности следует разработать научно-обоснованные подходы к оценке нормы здоровья. Если норма здоровья это равновесие со средой обитания, то любое устойчивое нарушение гомеостаза есть болезнь.

Одна из главенствующих задач экологической физиологии и медицины состоит в глубоком изучении механизмов адаптации с целью использования защитных эффектов для лечения и профилактики болезней, а также изыскания адекватных методов воспроизведения защитных эффектов адаптации с помощью фармакологических средств и природных адаптогенов. Окислительно-восстановительные процессы в организме совершаются в присутствии оксидоредуктаз. Кофакторами оксидоредуктаз являются переходные металлы (желе-

зо, медь, марганец, молибден), образующие с белком фермента комплексные соединения. Поскольку переходные металлы проявляют переменную степень окисления, то они могут выступить и окислителем, и восстановителем и быть переносчиком электронов, протонов, а также быть компонентом электронно- и протонно-транспортных цепей. Одна из особенностей окислительно-востановительных процессов - возможность их протекания как по гомолитическому, так и по гетеролитическому механизму, когда реагирующими частицами являются радикалы. Все окислительно-восстановительные процессы, глубина и скорость которых контролируется ферментами, протекают по гетеролитическому механизму. В то же время в организме имеет место свободнорадикальное окисление-восстановление, которое при низкой интенсивности является метаболически нормальным. Свободные радикалы участвуют в процессах клеточного деления, образовании мембран и многих других важных процессах. Это необходимо, пока интенсивность образования радикалов и их концентрация в клетке на превышает определенную норму. Главным источником радикалов является кислород, так как молекула кислорода бирадикал О 2 при полном восстановлении про-соединяет 4 электрона и 4 протона и превращаются в 2 молекулы H 2 О. При экстремальных условиях образование кислородных радикалов усиливается, так как интенсифицируется окислительное фос-форилирование и гидроксилирование ксенобиотиков. В организме свободнорадикальное окисление сдерживается малокомпонентной антиоксидантной системой, которая превращает радикалы в малоактивные соединения, прерывает цепные реакции. Эти функции осуществляют антиоксидантные и антиперекисные ферменты: супе-роксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза.

Антиоксиданты - вещества, обратимо реагирующие со свободными радикалами и окислителями и предохраняющие от их воздействия на жизненно важные метаболиты (Слесарев В.И., 2000). Весь этот обширный класс соединений объединяет определение, данное J.M. Gutteridge в 1995 году: «Антиоксидант - это соединение, которое присутствуя в низких, по сравнению с окисляемым субстратом, концентрациях существенно задерживает или ингибирует его окисление». Коферменты образуют прочные связи с рядом биологически активных органических соединений: убихинонами, флавоноидами, аскорбиновой кислотой. Эффективными антиоксиданта-ми являются тиолы R-SH, т.е. соединения, содержащие тиольную группу, которая за счет серы со степенью окисления -2 легко окисляется, образуя дисульфиды R-S-S-R (тиол-дисульфидная система):

За счет сильных восстановительных свойств тиолы являются эффективными ловушками радикалов, поэтому на их основе созданы радиопротекторы - средства, защищающие организм от радиации (унитиол).

В настоящее время накоплено множество данных, подтверждающие зависимость элементного состава живых организмов, в том числе человека, от содержания химических элементов в среде обитания, т.е. состав внутренней среды организма испытывает влияние внешней среды. Так, концентрации As, Pb, Ni, Mn и Cu в волосах детей положительно коррелируют одновременно с уровнем этих элементов в почве и питьевой воде, отобранных в местах их проживания, а концентрации Cd и Мо - только с уровнем их в воде, Zn, Cr и В - только с уровнем их в пробах почвы (рис. 10.6).

При подробном рассмотрении общих закономерностей связи элементного состава внешней и внутренней сред учеными установлено, что во всех природных системах (и объектах) концентрация элемента уменьшается с увеличением его относительной атомной массы или порядкового номера (заряда) (Кист А.А., 1987; 1990). Прямую связь элементных составов внешней и внутренней сред можно предполагать лишь на начальной стадии зарождения жизни, когда внешняя и внутренняя среды протобионтов могли быть практически идентичными в отношении элементного состава.

По мере усложнения живых организмов зависимость становится более сложной и нелинейной. Вначале концентрация элемента в живом организме растет с увеличением его концентрации во внешней среде. По достижении определенных уровней накопления элемента во внутренней среде организм уменьшает долю поступающего элемента (снижение абсорбции и усиление экскреции) в результате включения защитных механизмов и естественных барьеров. Впоследствии, как показывает А.А. Кист (1987), в зависимости от вида организма, изучаемого органа, способа введения элемента и его соединения и ряда других факторов, наблюдается либо незначительный дальнейший рост концентрации, либо его прекращение и сохранение постоянства, либо новое резкое, но кратковременное увеличение концентрации во внутренней среде.

Во всех этих случаях отмечаются выраженные патофизиологические изменения и, наконец, гибель организма. Следует отметить, что живые организмы, в том числе человек, имеют различную чувствительность

Рис. 10.6. Корреляция между концентрацией микроэлементов в почве, питьевой воде и волосах детей (расстояние 0,5, 1, 5 км от металлургического завода г. Златоуста, Челябинская область) (по Скальный А.В., 2004)

к изменению концентрации во внешней среде различных химических элементов. Макро- и микроэлементы, активно участвующие в регуляции обменных процессов в организме человека, можно условно разделить на элементы с низкой, средней и высокой гомеостатической емкостью.

Структура межорганных и межсистемных взаимодействий наиболее полно отражает переходный (триггерный) характер процессов

адаптации, вскрывая не только количественные, но и качественные особенности взаимодействия регуляторных и гомеостатических систем организма, позволяя тем самым оценить и выявить основные и периферические контуры регуляции ведущих физиологических и метаболических процессов в зависимости от структуры и экстремальности действующих средовых факторов (Fowler В.А., 1990; Kabata-Pendias A., 1992; Куликов В.Ю., 2003). Триггерный характер регуляции активных реакций основывается на появлении нового качества в системных механизмах регуляции обратимо за счет эффективного функционирования сопряженных между собой прямых или обратных связей.

Принцип Ле Шателье гласит, что в биосистемах на каждое действие формируется такое же по силе и характеру противодействие, которое уравновешивает биологические регуляторные процессы и реакции. При патологических процессах существующая замкнутость регулятор-ного контура нарушается. В зависимости от уровня неравновесности изменяется качество межсистемных и межорганных отношений, они приобретают все более нелинейный характер. Структуру и специфику этих взаимоотношений подтверждает анализ между показателями системы перекисного окисления липидов и уровнем антиоксидантов, между гармоничными показателями в условиях адаптации и патологии (Куликов В.Ю., 2003). Данные системы участвуют в поддержании антиокислительного гомеостаза. Показателем высоких антиоксидант-ных свойств эндогенных адаптогенов, обеспечивающих постоянство концентрации окислителей в организме, является содержание церу-лоплазмина в крови, противодействующего отрицательному влиянию антропогенных факторов, которые, как правило, способствуют формированию окислительной среды в организме, определяющей содержание в крови малонового альдегида. При применении фосфорсодержащих комплексонатов титана и БАД люцэвита в технологии выращивания цыплят бройлеров в дозе 0,05-1,5 мг/кг живой массы отмечен триггерный характер взаимоотношений церулоплазмина и прооксиданта малонового диальдегида. В крови цыплят содержание церулоплазмина возрастает, а малонового диальдегида снижается. Следовательно, препарат является активным биорегулятором свободно радикальных процессов, системой утилизации активных форм кислорода, перекиси водорода и дугих радикалов. Их ферментативное действие аналогично и более эффективно действию пероксидазы и каталазы.

10.7. БИОРЕГУЛЯТОРНЫЕ СВОЙСТВА КОМПЛЕКСОНАТОВ МЕТАЛЛОВ

10.7.1. Значение концентрации комплексонатов металлов в их биологическом действии

Проведено исследование биорегуляторных свойств комплексонатов металлов (ФКМ) в хроническом эксперименте на растениях и животных (пчелах, цыплятах, мышах, крысах, свиньях) в широком интервале концентраций (Жолнин А.В., 2005).

Рис. 10.7. Кривая ответной реакции растения на введение фосфорсодержащего комплексоната титана (ФКТ)

Биостимулирующее действие ФКП находится в прямопропор-циональной зависимости от его концентрации в изученном интервале концентраций, до 0,5% раствора ФКТ (рис. 10.7).

Фосфорсодержащие комплексонаты титана интенсифицируют рост и развитие растений. Применение их в производстве картофеля повышает урожайность до 30-40%, снижает нитраты на 25-30%, нейтрализует вредное воздействие неблагоприятных экологических и метеорологических факторов. Соединения титана ускоряют биосинтез аминокислот, активизируют липоксигеназную активность. Сопротивляемость к разным заболеваниям повышается в два раза.

Хелаты титана влияют на воспроизводительные функции свиноматок. При введении 0,05 мг/кг живой массы титана многоплодие свиноматок повышается на 16%. Выживаемость поросят к отъему увеличивается

на 37,5%. Рост живой массы максимальный при концентрации хелата 0,15 мг Ti/кг. При дозе 0,05 мг/кг среднесуточный прирост живой массы составляет 537 г, за репродуктивный цикл - 17,1 кг. Перевариваемость сухого вещества повышается на 5,3%, органического вещества на 4,8%, протеина на 3,9%, сырой клетчатки на 52%. В сыворотке крови повышается концентрация аминного азота, общих липидов, β-липопротеидов и снижается содержание мочевины и холестерина.

На мышах и крысах показано положительное влияние ФКТ на процессы обмена веществ (белкового, углеводного и липидного), поддержание микро- и макроэлементного гомеостаза.

Учитывая единство иммунной и метаболической систем резистентности организма, объяснено участие гетеровалентных и гетероядерных соединений титана в защите организма от «окислительного стресса» и в окислении субстратов. Ферментативное действие комплексонатов титана аналогично и более эффективно действию пероксидазы и ката-лазы. Соединения титана участвуют в поддержании антиокислительного гомеостаза организма, являются активными регуляторами свободнора-дикальных процессов и систем утилизации активных форм кислорода, участвуют в окислении субстратов. В хронических экспериментах на мышах установлен ряд элементов, расположенных в порядке снижения их элиминации из организма: Ti >> Al >> Cr. Взаимодействие биологических объектов с малыми и сверхмалыми дозами этих элементов обладает рядом специфических особенностей. При сверхмалых дозах вещества, когда исчезают побочные эффекты, проявляется специфика ответной реакции организма. При введении вещества в дозе 10 -12 моль в клетке будет содержаться от 1 до 10 молекул вещества и наблюдается немонотонная, нелинейная зависимость «доза-эффект». Это может быть связано с общностью критических состояний клеточных и субклеточных мембран и особенностями кинетики реакций, в которых важную роль играют слабые взаимодействия. Кривая зависимости активности препарата от концентрации субстрата имеет сложный вид и может быть представлена в первом приближении как сочетание гиперболы и сигмоиды (рис. 10.8). Гиперболическая зависимость является обычной для описания функций белков-ферментов.

Рабочее звено фосфорсодержащих комплексонатов титана представляет собой пентамер гетеровалентных многоядерных комплексов титана (ГВК) с различным составом и строением как комплексообразователя, так и мостиковых лигандов, в качестве которых выступают комплексо-ны. В разных тканях набор субъединиц различен (Болдырев А.А., 1997). Фермент работает в виде олигомерных ассоциатов. С этих позиций понятна роль липидного окружения фермента. От упаковки липид-

ного бислоя зависит эффективность взаимодействия индивидуальных молекул фермента в мембране. Другими словами изменение вязкости микроокружения белковых молекул позволит управлять взаимодействием между белками в олигомерных комплексах и регулирует активность мембранных ассоциатов и обеспечивает тонкую настройку их работы на сиюминутные потребности клетки.

Рис. 10.8. Зависимость биологического действия комплексонатов металлов в функции их концентрации

Адаптогенные свойства веществ изучали на объектах различного уровня биологической организации (органе, клетке, ткани). В работе (Бурлакова Е.Б., 1999) приведены обзорные и собственные данные изучения биологического действия веществ в широком диапазоне концентраций: от 10 -2 -10 -4 М (обычные концентрации) до 10 -6 -10 -16 М (ультрамалые концентрации).

В исследованиях на животных первоначальная доза (10 -3 мольТi/кг живой массы) была токсичной. Дальнейшее снижение концентрации комплексоната титана проявляло меньший токсический эффект (см. рис. 10.8). Затем совпадало с контрольными результатами. Последующее уменьшение дозы приводило к изменению знака эффек-

та. Доза 10 -4 мольTi/кг живой массы была активной. Препарат обладает антиоксидантным действием, уровень которого возрастал по мере снижения концентрации. При дальнейшем снижении концентрации наблюдали полимодальную зависимость. Затем в дозовой зависимости обнаруживается «перемена знака» эффекта. В области малых доз отмечалась ингибирующая активность, которая в последующем изменялась на стимулирующее действие, возрастающее по мере снижения концентрации (10 -6 -10 -7 мольTi/кг живой массы) препарата. Последующее снижение дозы приводило к снижению антиоксидантных свойств. Как следует из результатов исследований, биологическая активность комплексона-тов титана (ФКТ) при обычных (10 -3 мольTi/кг живой массы) и малых (10 -6 мольTi/кг живой массы) концентрация однотипна, что указывает на общность механизма их действия. Максимумы стимулирующего, инги-бирующего действия веществ наблюдаются при определенной дозе.

При малых концентрациях, когда с → 0 (≤10 -6 мольTi/кг живой массы), происходит формирование мономолекулярного слоя фермента на поверхности плазматической мембраны. В данных условиях величина биостимулирующего действия прямо пропорциональна концентрации БАВ. Увеличение дозы титана приводит к постепенному насыщению мембраны молекулами фермента, формированию монослоя. При больших концентрациях, когда начинается процесс формирования второго слоя, наблюдается полоса концентрационного ферментативного «бездействия». Отмечается слабая зависимость интенсивности биологического действия от дозы вещества. Происходит процесс формирования полимолекулярного слоя в результате межмолекулярного взаимодействия комплексоната титана, изменения конформации молекул и образование олигомерных ассоциатов. Процесс заканчивается резким увеличением биостимулирующего действия, что обусловлено формированием полимолекулярного слоя.

Итак, биоэффекты фосфорсодержащих комплексонатов титана носят дозо-, природо-, возрастозависимый, универсальный, иммунотропный, анти-оксидантный, антистрессорный, буферный, дезинтоксикационный и циклический характер.

10.7.2. Роль органической составляющей комплексонатов металлов в их биологическом действии

Вещества, обеспечивающие снижение градиента концентрации, ингибируют внутриклеточные процессы (Бурлакова Е.В., 1999).

Разнообразные механизмы контроля регулируют активность клеточных ферментов при изменении существующих в клетке условий. Наиболее общая форма регуляции - это легкообратимые ингибированные по принципу обратной связи, когда первый фермент метаболического пути ингибируется конечным продуктом этого пути. Более длительная форма регуляции включает в себя химическую модификацию одного фермента под действием другого, что часто происходит в результате фосфорилирования. Изменение конформации фермента усиливает или подавляет его ферментативную активность. Механизм активного вторичного транспорта рассмотрен Питером Митчелом в хемио-осмотической теории окислительного фосфорилирования, в основе которой лежит сочетание химических реакций с осмотическим давлением. Мембранная регуляция осуществляется благодаря изменениям в мембранном транспорте, связыванию или освобождению ферментов, изменению его конформации, а следовательно, изменению активности мембранных ферментов. На активность ферментов оказывает влияние концентрация веществ, подвергающихся превращениям. Большая концентрация субстрата снижает скорость ферментативной реакции. Отмечено также, что мембранные ферменты образуют оли-гомерные ассоциаты. От упаковки липидного окружения ферментов зависят эффективность взаимодействия ферментов в мембране, вязкость микроокружения фермента и активность мембранных ассоциатов.

Изучено биологическое действие комплексоната калия с рядом фосфорсодержащих комплексонов с различным числом фосфоно-вых групп. Дополнительная обработка растений комплексонатами калия в период цветения приводит к снижению содержания хлорофилла в листьях при одновременном повышении урожайности. Изменяется активность хлоропластов. Снижается, а затем прекращается процесс обновления хлорофилла. Прекращается рост надземной массы. Через 72 ч после начала цветения содержание хлорофилла в контроле снижается только на 3,9%, а на кустах, обработанных пестицидами группы ФКК, - на 33-47%. Полученные данные свидетельствуют о том, что калиевые соли нейтрализуют стимулирующее действие титана и железа. Они выступают в качестве антиферментов. Антиферментативное действие возрастает с увеличением концентрации хелатообразующего иона в системе. Данные условия способствуют разрушению гетеровалентных полиядерных соединений титана и железа - комплексов переноса электрона и образованию моноядерных соединений, в которых наблюдается изменение состава и геометрии активного центра фермента (аллостерический эффект).

Ион калия относится к числу деструктурирующих ионов в водных растворах и способствуют разрушению ферментативной системы, обеспечивающей биостимулирующее действие комплексов титана и железа. В результате обработка растения фосфорсодержащими ком-плексонатами s-элементов изменяет направленность биологического действия.

Впервые (Ковальский В.В., 1991) обратил внимание на то, что активность и направленность действия ферментов определяется природой фермента, наличием конкурирующих частиц, результатом конкурирующего комплексообразования. Протекание биохимического процесса подчиняется закону действующих масс. В.В. Ковальский обозначил этот процесс как ферментативная адаптация.

Ферментативная адаптация используется при разработке технологий производства животных и растений. Повышение урожайности в результате второй обработки растений раствором калиевых солей является результатом интенсификации физиологических процессов, связанных с разрушением монолигандных гетеровалентных комплексов титана и транспортом пластических веществ в клубни картофеля. В результате у растения сокращается вегетационный период. Качество клубней повышается. Содержание нитратов снижается на 24%, а при хранении клубней еще на 40% (в контроле только на 25%). Повышение урожайности наблюдается до 20%.

Таким образом, обработка комплексонатами переходных элементов в период бутонизации растения стимулирует рост и развитие организма, а обработка комплексонатами s-элементов - ингибирует процесс роста и развития, что обеспечивается снижением градиента концентрации на мембране растительной клетки. Это способствует повышению урожайности и быстрому переходу растения в состояние покоя. Испытания показали, что фосфоновые группы повышают биологическую эффективность ФКМ.

10.7.3. Роль гидратной оболочки комплексонатов

металлов в их биологическом действии

В работе В.Е. Литвиненко (1982) показана корреляция между биологическим действием биорегулятора и строением его гидратной оболочки. Фосфорсодержащие комплексонаты переходных элементов имеют мощную гидратную оболочку физически и химически сорбированных молекул воды, что обусловлено особенностями строения ионов переходных элементов и полидентатных лигандов. Ионы металлов пере-

ходных элементов обладают сильными электрофильными свойствами (большое число валентных электронов с различной энергией, большое число свободных орбиталей), что определяет высокое координационное число. Одним из этапов образования гидратированных ком-плексонов являются замещение молекул воды гидратной оболочки ФКМ на донорно-акцепторные группы белка (образование водородных и других связей) и повышение мембранной проницаемости. Поэтому ФКМ имеют высокое соотношение внешнесферной (свободной) и вну-трисферной (связанной) воды, это определяет высокую биологическую активность. Внутрисферная вода образует большое количество водородных связей с атомами кислорода комплексона, что приводит к высокой температуре ее отщепления, внешнесферная вода почти не образует водородных связей, при этом межмолекулярные водородные связи не возникают. Полидентатные лиганды, обладающие высокими нуклеофильными свойствами, высокой координационной емкостью, проявляют до 14 различных типов взаимодействий с соседними ионами металлов в качестве хелатно-мостиковых лигандов и определяют эффект субстехиометрического взаимодействия ФКМ. Координационное насыщение частиц превращает токсичные формы в малотоксичные и даже биологически активные. Формирование состава, геометрии биокомплексов и их транспорт в организме происходят с участием их гидратной оболочки.

Изучен состав полимерных форм фосфорсодержащих ком-плексонатов титана (Жолнин А.В., Носова Р.Л., 1997) с нитрило-триметиленфосфоновой кислотой: 12H 2 O (1) и 10H 2 O (2).

ИК-спектроскопия и методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) показали наличие в комплексах свободной и связанной воды (связанная вода - свободная вода - связанная вода - свободная вода), соотношение которых в образце (1) равно 4:1, а в образце (2) - 1,6:1, что подтверждено более высоким биостимулирующим действием первого образца на рост и развитие картофеля.

Важным условием роста и развития растений является нормальное состояние тургора клетки. Установлено влияние обработки комплек-сонатами на кинетику испарения воды листьями картофеля, тургор-ное состояние клетки. Листья лучше сохраняли тургор. При засухе отношение свободная/связанная вода в растении смещается в сторону последней. При наличии засухи в органах растений подавляется активность стимуляторов роста и накапливаются в активной форме ингибиторы роста. Известно, что микроэлементы действуют на тургор клеток.

При недостатке меди листья становились поникшими и вялыми. Нами наблюдалось достоверное увеличение оводненности тканей листьев под действием комплексонатов на 1-2%. В листьях увеличивалось содержание свободной воды, в результате чего снижалось отношение «свободная/связанная вода» и происходило частичное ее деструктиро-вание. Особенно увеличивалось содержание свободной воды в листьях картофеля в период интенсивного клубнеобразования. Из комплек-сонатов переходных элементов наибольшее воздействие оказывают комплексонаты титана, железа (III) и меди. Содержание хлорофилла в листьях после обработки возрастало. В период бутонизации при обработке комплексонатом меди на 27,7%, железа на 38,9%. Изменялся элементный состав листьев. Комплексонаты железа и цинка увеличивали содержание азота на 21,65 и 12,6% соответственно, содержание фосфора увеличивалось на 18,2% при обработке комплексонатом цинка и на 12,1-15,2% при обработке комплексонатами железа, кобальта и меди. Следовательно, свободная вода больше, чем связанная, определяет интенсивность фотосинтеза. В период максимального развития фотосинтетического аппарата продуктивность фотосинтеза составила 7-8 г сухой массы на 1 м 2 . В клетках растений создавался оптимальный режим оводненности тканей на 1-2%, листья лучше сохраняли тургор. Повышалась устойчивость к заболеваниям в 2 раза.

10.8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ

Вероятность взаимодействия между минеральными веществами вследствие их лабильности и способности к образованию связей значительно больше, чем между другими питательными веществами. Что касается синергизма и антагонизма элементов в организме, то эти понятия в литературе освещены недостаточно. По-видимому, синерги-стами можно считать такие элементы, которые взаимно способствуют абсорбции друг друга в пищеварительном канале и взаимодействуют при существовании какой-либо обменной функции на тканевом и клеточном уровне.

Синергизм элементов в области желудочно-кишечного канала предполагает возможность следующих механизмов взаимодействия: непосредственное взаимодействие элементов (Са и Р, Na и Cl, Zn и Мо), когда уровень абсорбции определяется их оптимальным соотношением в рационе и химусе; взаимодействие, опосредованное через процес-

сы фосфорилирования в стенке кишечника и активность пищеварительных ферментов (например, влияние Р, Zn, Co на освобождение из корма и абсорбцию других элементов); непрямое взаимодействие путем стимуляции роста и активности микрофлоры в желудке и кишечнике. На уровне тканевого и клеточного метаболизма также возможны разные механизмы синергического взаимодействия: прямое взаимодействие элементов в структурных процессах (взаимодействие Са и Р в образовании костей, совместное участие Fe и Сu в образовании гемоглобина, взаимодействие Мn и Zn в конформации молекул РНК); одновременное участие элементов в активном центре какого-либо фермента (Fe и Мо в составе ксантин- и альдегидоксидаз, Сu и Fe в составе цитохромоксидаз); активирование ферментных систем и усиление синтетических процессов, требующих для своего осуществления присутствия других элементов (активация синтеза ионами Mg 2+ с последующим включением в синтез Р, S и других элементов); активирование функций эндокринных органов и опосредствованное влияние через гормоны на обмен других макроили микроэлементов (йод - тироксин - усиление анаболических процессов - задержка калия и магния в организме).

Антагонистами можно считать элементы, которые: а) тормозят абсорбцию друг друга в пищеварительном канале; б) оказывают противоположное влияние на какую-либо биохимическую функцию в организме. В отличие от синергизма, который чаще бывает взаимным, антагонизм может быть либо обоюдным, либо односторонним. Так, фосфор и магний, цинк и медь взаимно тормозят абсорбцию друг друга в кишечнике, а кальций ингибирует абсорбцию цинка и марганца (но не наоборот). Антагонистические взаимосвязи также предполагают несколько возможных механизмов взаимодействия. В частности, эффект ингибирования абсорбции одних элементов другими в пищеварительном канале может быть обусловлен следующими механизмами: простым химическим взаимодействием элементов (образование фосфата магния при избытке последнего в рационе, взаимодействие меди с сульфатом, образование тройной соли Са-Р-Zn при повышенных дозах кальция в рационе); адсорбцией на поверхности коллоидных частиц (фиксация Мn и Fe на частицах нерастворимых солей магния или алюминия); В, Pb, Te и др. на окислительное фосфорилирование, сокоотделение и активность ферментов (что ухудшает расщепление кормовых ингредиентов, освобождение и всасывание неорганических ионов); конкуренцией за вещество-переносчик ионов в кишечной стенке (например,Co 2+ -Fe 2+).

В процессе тканевого метаболизма, где элементы находятся в основном в ионной форме, возможны следующие механизмы антагонистических взаимосвязей: непосредственное взаимодействие простых и сложных неорганических ионов (например, медь-молибден); конкуренция ионов за активные центры в ферментативных формах (Mg 2+ и Мn 2+ в металлоферментных комплексах щелочной фос-фатазы, холинэстеразы и др.); конкуренция за связь с веществом-переносчиком в крови (Fe 2+ и Zn 2+ как конкуренты за связь с транс-феррином плазмы); активирование ионами ферментативных систем с противоположной функцией (активация ионами меди аскорби-ноксидазы, окисляющей аскорбиновую кислоту, и активация ионами цинка и марганца лактоназ, способствующих синтезу этого витамина); анатагонистическое влияние ионов на один и тот же фермент (активация АТФазы ионами Mg 2+ и торможение ионами Са 2+); смягчение ионами биотических элементов токсического влияния тяжелых металлов, присутствующих в корме и средах организма (уменьшение уровня Рb в организме при добавках в рацион меди, цинка, марганца). Все вышесказанное свидетельствует о том, что антагонизм элементов является сложным комплексом биотических взаимоотношений. Его итогом не всегда является снижение уровня того или иного элемента или его повышенная экскреция из организма. Иногда антагонизм выполняет протекторную роль в отношении биохимических функций, и лишь при резком нарушении соотношения ионов наблюдаются отклонения в уровне обменных процессов. Возможность антагонистических взаимоотношений элементов можно в известной мере предвидеть исходя из их положения в периодической системе. В основе этих взаимодействий лежат физико-химическая аналогия элементов, их способность к комплексообразованию, большее или меньшее сродство к соответствующим активным группам биополимеров. В целом можно предположить, что антагонистами являются химические аналоги и гомологи (например, Са-Mg), а также элементы, имеющие одинаковую валентность и способность к образованию аналогичных комплексов. Анионы и катионы способствуют связыванию соответственно катионов и анионов, как простых, так и сложных. Это объясняет, в частности, антагонизм таких элементов, как Zn и Cd, V и Cr, As и Se, Zn и Сu, Са и Fe. На рисунке 10.9 изображены биохимические взаимосвязи (слева - синергические, справа - антагонистические) 15 жизненно необходимых элементов, учтены как пищевые связи, так и взаимодействия в процессе промежуточного обмена.

Рис. 10.9. Метаболические взаимосвязи жизненно необходимых элементов: 1 - синергизм; 2 - антагонизм; сплошная линия - односторонний, пунктирная линия - взаимный) (по Георгиевский В.И. и др., 1979)

Обычные взаимодействия могут нарушаться также при недостатке или избытке в корме витаминов, жира, протеина и других питательных веществ. Также нельзя не учитывать и возможную специфику взаимосвязей у разных видов млекопитающих и их разное физиологическое состояние.

Схема на рис. 10.9, разумеется, не отражает всех возможных вариантов взаимодействия, так как в ней отсутствуют условно необходимые элементы. В частности, в плане антагонизма заслуживают внимания такие вероятные взаимодействия, как: Mg-F, F-I, Al-F, As-I, Al-P, Be-P, Pb-Cu, Sr-Ca, Ag-Cu, Cd-Cu, Ti-Zn, B-Zn, B-Mo. На рисунке 10.10 представлена наиболее совершенная, на наш взгляд, схема, отражающая синергизм и антагонизм макро- и микроэлементов в организме (направление стрелки отражает характер взаимодействия). Схема, разумеется, не отражает всех возможных вариантов взаимодействия. Кроме того, следует также учитывать возможную специфику таких взаимосвязей у представителей разного пола, различные физиологические состояния, влияние психоэмоциональных и физиологических нагрузок и временной фактор.

Как это следует из рис. 10.10, количество обнаруженных положительных связей значительно меньше, чем антагонистических. Возможно, это связано с тем, что последние более отчетливо выявляются в эксперименте, а в практике питания животных вызывают характерные симптомы недостаточности.

Рис. 10.10. Взаимодействие химических элементов (по Momcilivic В., 1987)

Синергические же взаимоотношения нередко ускользают из поля зрения исследователей. Необходимо подчеркнуть, что перечисленные взаимосвязи зависят от верхнего и нижнего уровня физиологических границ. Это важно потому, что характер взаимодействия между минеральными веществами может меняться при недостатке или избытке изучаемых элементов, равно как и других элементов в рационе. Так, медь может оказаться токсичной для организма даже при ее нормальном содержании в рационе (10-11 мг/кг), если в нем недостаточно молибдена. Слишком высокие дозы меди не могут не вызывать токсикоза и являются причиной паракератоза, вследствие нарушенной абсорбции цинка.

10.9. БИОСФЕРА - ИСТОЧНИК МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ОРГАНИЗМА

Химические элементы распространены в окружающей среде очень неравномерно. Обращают на себя внимание огромное содержание таких микроэлементов (по отношению к человеческому организму), как Si, Al, Fe, Zr, Mn, Zn, а также макроэлементов К, Са в земной коре (верхней литосфере) и их небольшие концентрации в пресной, морской воде и атмосфере. Однако в биосфере происходят накопление многих из этих элементов, их концентрирование, что свидетельствует о высокой потребности в них живых организмов для осуществления процессов жизнедеятельности.

В биосфере концентрируются такие химические элементы, как О, К, S, С, Р, Cl, N, Sn, As, относительно высоко содержание Са, В, Zn, Ba, Sr, Rb, Cu, Pb. В связи с различными средами обитания существенно различаются концентрации химических элементов в морских и наземных растениях и животных. Так, в «дарах моря» растительного и животного происхождения сконцентрированы такие элементы, как Са, К, Na, Mg, S, Cl, О, Zn, Cu, Mn, Fe, I, Ni, Ti, Sr, Zr, Cr, Li, B, La. Предоставляемые человеку на суше «дары природы» в целом менее богаты макро- и микроэлементами, однако следует выделить N, С, F, а также Mn и А1, содержание которых в наземных растениях выше, чем в морских в 10 раз. Наземные растения являются основным источником такого важного микроэлемента, как Мn, а морские - Са, Fe, Zr, Si, Li и I. Представители наземной фауны служат основным резервом для обеспечения человека Р, N, Н, т.е. макроэлементами, и чрезвычайно бедны Сr, V, Мn, элементами, принимающими активное участие в регуляции углеводного и жирового обмена, толерантности к глюкозе.

В свою очередь, представители морской фауны накапливают в себе повышенные количества Zn, Со, Сu. Таким образом, поступление химических элементов с пищей может существенно различаться в зависимости от режима питания, доступности, например, морепродуктов для организма. Все это не может не сказываться на суточном балансе поступления элементов в организм человека. Таким образом, в основном химические элементы поступают в организм человека с водой и пищей. Исключение составляет только Si, большие количества которого могут попадать в организм ингаляционным путем в виде пыли, песка или в виде различных соединений этого элемента (SiO 2 , Si 2 O 3 и др.). В приморских районах и на небольших островах в виде аэрозолей и испарений в организм могут попадать существенные количества йода.

Выделение же химических элементов происходит более разнообразными путями. Так, с мочой преимущественно выделяется Se, Fe, I, Co, Cd, В, Br, Ge, Mo, Nb, Rb, Cs, Те и Sb. С потом в основном выделяется Se, F, Pb, Sn, Ni, а с волосами Hg. И все же основное количество химических элементов элиминируется из организма с калом. Если обратить внимание, то выявляется следующая закономерность: анионы (I, F, Se, Cl) относительно легко абсорбируются (70-95%), и их гомеостаз регулируется в основном за счет выделения через мочевыделительные пути; катионы и микроэлементы (Cr, Zn, V, Mn и др.) абсорбируются значительно хуже, и их гомеостаз регулируется в основном за счет выделения через ЖКТ. Катионы нуждаются

в специфических путях абсорбции, в их гомеостазе принимают участие ЖКТ и желчная секреция. Многие микроэлементы лучше усваиваются в виде органических комплексов (аспарагинаты, глутаматы, цитраты, ацетаты, глюконаты металлов).

Как указывают Ю.А. Ершов и соавт. (2000), в процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим основой использования тех или иных химических элементов при создании биосистемы является естественный отбор. В таблице 10.10 приведены данные о содержании химических элементов в земной коре, морской воде, растительных и животных организмах.

Из таблицы видно, что большую долю вещества живых организмов составляют элементы, которые имеют довольно высокую распространенность в земной коре. Однако эта закономерность соблюдается не всегда. Так, в земной коре содержится много кремния (27,6%), а в живых организмах его мало. Аналогичная ситуация прослеживается и для алюминия, который в большом количестве содержится в земной коре (7,45%) и в очень незначительном в живых организмах (1х10 -8 %). Непропорциональное содержание элементов в организме и среде связано с тем, что на усвоение элементов влияет растворимость их природных соединений в воде. Природные соединения кремния (SiO 2), алюминия (Al 2 O 3) практически нерастворимы, поэтому они не усваиваются живыми организмами. Наблюдается и обратная картина. Например, органоген углерод в незначительных количествах содержится в земной коре (0,35%), а по содержанию в живых организмах занимает второе место (21%). Таким образом, по мере движения ряда химических элементов по пищевой цепи происходит их биологическое концентрирование, как, например, в случаях с углеродом, азотом, кислородом, фосфором или кальцием, который извлекается из окружающей среды для построения скелета живого организма. Для населения развитых стран характерно включение в рацион разнообразных продуктов питания, часть из которых производится в других биохимических районах, ввиду чего ликвидируются условия, способствующие воздействию на человека биохимических особенностей данной местности. То есть разнообразная пища со значительной долей привозных продуктов не только предупреждает возникновение эндемических дефицитов или избытков макро- и микроэлементов, но и является одним из мощных средств ликвидации эндоэкологических заболеваний биохимического происхождения (Авцын А.П. и соавт., 1991).

Пока не удалось воспитать в человеке не только бережного отношения к окружающей природе, как среде обитания, и к своей внутренней

среде, к составу своего организма, обеспеченности его необходимыми материалами для жизнедеятельности. Вышеперечисленные факторы свидетельствуют о жизненно важной необходимости формирования и воспитания в обществе нооэкологического мировоззрения - одного из немногих резервов, которые продуцируются исключительно человеком. Только в соединении таких факторов с ресурсами природы можно достичь дальнейшего гармоничного развития человечества, исключающего его самоуничтожение.

Таблица 10.10. Содержание химических элементов (масс. доля, %) в земной коре, почвах, морской воде, растениях, животных (по А.П. Виноградову)

Окончание табл. 10.10

10.10. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ К ЗАНЯТИЯМ И ЭКЗАМЕНАМ

1.Как распределены биогенные элементы по s-, p- и d-блокам и по периодам периодической системы элементов?

2.Биологическая роль s-элементов. Градиент концентрации ионов, механизм регуляции концентрации ионов в клетках, мембранный потенциал.

3.р-Элементы какого периода обладают ярко выраженной способностью участвовать в образовании водородных связей?

4.Назовите пять макробиогенных р-элементов, являющихся основным строительным материалом, из которого сложены молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот.

5.Какую роль выполняют d-элементы в живых организмах? Чем вызвано токсическое действие хроматов и дихроматов на организм?

6.Изменяется ли степень окисления железа в молекуле гемоглобина в процессе присоединения и отдачи кислорода?

7.Назовите комплексообразователь в молекуле витамина В 12 . Что общего в структурах молекул гемоглобина и витамина В 12 ?

8.Объясните сходство и различие в биологическом действии соединений железа и титана.

9.Чем объясняются уникальные свойства углерода?

10.Назовите p-элементы, которые выступают в качестве химически активных центров полидентатных хелатообразующих лигандов, определяющих их участие в основных биохимических процессах, обеспечении состояния изогидрии организма.

11.В земной коре меди содержится значительно меньше, чем титана, а в живом организме меди содержится в десятки раз больше. Объясните.

12.На каких свойствах перекиси водорода основано ее применение в медицине?

13.Приведите примеры антагонизма Ca 2+ и Mg 2+ , синергизма Mg 2+ , Mn 2+ . Объясните, почему Mn 2+ выступает синергистом Mg 2+ ?

14.Приведите примеры соединений железа, находящихся в организме.

15.Объясните сходство в биологическом действии ионов Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ .

16.Каков химизм токсического действия соединений ртути, кадмия, свинца и никеля?

17.Каков химизм токсического действия нитратов и нитритов?

18.Может ли цинк катализировать процессы, связанные с переносом электронов?

19.На чем основано применение комплексонов как лечебных препаратов при отравлении соединениями цинка, кадмия и ртути?

20.Имеется ли взаимосвязь между Mg 2+ и Be 2+ образовывать комплексы с биолигандами неодинаковой прочности и токсическим действием Be 2+ ?

21.Каков механизм токсического действия Ba 2+ ? На каком свойстве ионов бария и стронция основано применение водного раствора сульфата натрия в качестве антидота?

22.Почему рентгеноконтрастное вещество BaSO 4 принимают внутрь при рентгеновской диагностике заболеваний пищеварительного тракта без опасения?

23.На каком свойстве сульфида натрия основано его применение в качестве противоядия соединений тяжелых металлов?

24.Почему тиолсодержащие энзимы необратимо отравляются Cu 2+

и Ag + ?

25. Какие свойства соединений азота (оксидов азота, нитритов, нитратов, нитрозоаминов) определяют их токсическое действие на организм?

10.11. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1. К какому элементу принадлежит 6s 2 -, 6р 2 -конфигурация валентных электронов?

а)Se;

б)Po;

в)Pb;

г)Hf..

2. К какому элементу принадлежит 3d 1 -, 4s 2 -конфигурация валентных электронов?

а)Br;

б)Mn;

в)Co;

г)Cl.

3. d- и p-элементы одной группы различаются между собой:

а)числом валентных электронов;

б)числом наружных электронов;

в)высшей степенью окисления;

г)формулой высшего оксида.

4. Какой элемент может замещать серу аминокислот в белках?

а)Se;

б)O;

в)Cr;

г)Cl.

5. Какие ионы могут замещать кальций в костной ткани:

а)СО 3 2- ;

б)Cs + ;

в)Br - ;

г)NO 3 - .

6. Натрий относится:

а)к макроэлементам;

б)элементам электролитного фона;

в)микроэлементам;

г)примесным элементам.

7. Антиоксидантами являются соединения, содержащие группу:

а)-SH;

б)-OH;

в)-COOH;

г)-NH 2 .

8. Фосфор в фосфоновых группах НТФ, ОЭДФ имеет степень окисления:

а)+3;

б)+5;

в)-3;

г)0.

Общая химия: учебник / А. В. Жолнин; под ред. В. А. Попкова, А. В. Жолнина. - 2012. - 400 с.: ил.

Системы биологических (биохимических) элементов

Известно, что построение и функционирование сложных информационных устройств базируется на применении типовых унифицированных узлов и элементов. К примеру, все информационные процессы в цифровой технике основаны на использовании различных типовых логических элементов, выполняющих элементарные логические функции и простейшие действия по преобразованию двоичной информации. Логические элементы служат как для построения электронных схем, так и для переработки двоичной информации. А теоретической основой при анализе переключательных схем являются законы и принципы алгебры логики. В алгебре логики рассматриваются переменные, которые могут принимать только два значения: 1 и 0. В основу типовых структур логических интегральных схем, как правило, закладывают элементы, выполняющие операции - И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, которые реализуют простейшие логические операции и функции двоичной арифметики. Базовые элементы являются своего рода строительно-функциональными единицами и используются как при проектировании, так и при построении цифровых информационных систем. Они реализуют функционально полный набор логических операций, поэтому при их применении можно получить логическую функцию любой сложности. При этом каждая типовая логическая схема элемента выполнена на основе отдельных дискретных физических компонентов - транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов.

Удивительно, но и при рассмотрении живых молекулярных систем наблюдаются такие же закономерности. Живые молекулярные системы тоже имеют свою унифицированную био-логическую (биохимическую) элементную базу. Поэтому и здесь возможен обобщенный подход, основанный на применении простых органических молекул (мономеров), которые играют роль составных элементов различных биологических молекул и структур. А “теоретической и технологической” основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, по соответствующей аналогии, можно отнести к закономерностям “молекулярной биохимической логики”. Биохимическая логика предусматривает и такое понятие как “молекулярный био-логический элемент”. Этот факт лишний раз напоминает нам о том, что любая живая клетка является информационной системой. Поэтому, чтобы понять закономерности её функционирования, - в первую очередь следует разобраться с элементной базой живой формы материи и принципами и правилами её использования. Это основная тема данной статьи.

Известно, что все живые организмы состоят из одних и тех же молекулярных строительных блоков - стандартного набора более чем трёх десятков типовых биохимических (био-логических) элементов: нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др. Число этих мономеров невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Причем, каждый элемент в отдельности, также представляет собой простейшую схему, структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов - водород, кислород, углерод, азот, фосфор и сера.

А наличие тех или иных типовых функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе макромолекулы.

Таким образом, живые системы при построении различных биологических молекул и структур применяют свои особые, сугубо специфические молекулярные элементы. Эти элементы (в составе живой материи) реализуют функционально полный набор элементарных биохимических функций и операций, поэтому при их использовании живая природа может получить био-логическую функцию любой сложности. При этом, естественно, наблюдается как аналогия, так и существенные различия между технической и биологической элементными базами и технологиями их применения.

К примеру, микросхемы технических устройств могут состоять из сотен, тысяч и более логических элементов нескольких типов, соединенных между собой соответствующим образом. Биологические макромолекулы также могут состоять из сотен, тысяч и более биохимических элементов нескольких типов, которые ковалентно соединяются между собой и размещаются в цепях биомолекул в виде линейной позиционной последовательности. Разница также состоит в том, что живые системы используют свои принципы и методы кодирования, передачи и реализации информации, и отличаются от технических систем не только субстратным носителем, но и методами представления информации.

Более того, если логический элемент в цифровой технике является простейшим преобразователем двоичной информации, то каждый био-логический элемент в живой системе сам играет роль элементарной структурной и информационно-функциональной единицы. В технической и биологической системах информационные сообщения осуществляются в различных формах. В технических устройствах используются элементарные сигналы 1 и 0 двоичного кода. То есть для передачи информационных сообщений применяется всего лишь два цифровых символа. Обычно символу 1 соответствует потенциал высокого уровня, символу 0 - низкого. Двоичные коды получили широкое применение главным образом из-за сравнительно простой аппаратурной реализации логических операций и арифметических действий, а также устройств для передачи и запоминания сообщений. Здесь каждый логический элемент служит для простейших преобразований двоичной информации, то есть для преобразования двоичных символов. Таким образом, в технических устройствах применяется аппаратный способ преобразования информации.

Однако в биологических системах, - наряду с аппаратным способом преобразования информации, применяется также и информационный способ построения и преобразования самой аппаратной части. Это - уникальная особенность информационных процессов в живых молекулярных системах.

Причем, единицей информации служит сам биохимический элемент, который и является буквой или символом информации. Поэтому при помощи химических букв и символов (элементов) строится аппаратная система клетки и, одновременно, в её структуры записывается программная информация. То есть, на первом этапе информационные сообщения передаются фиксированной позиционной последовательностью расположения букв или символов в “линейных” цепях биологических молекул. Значит, если в технической системе применяется только аппаратный способ преобразование информации, то в молекулярно-биологической системе, - с помощью генетической информации и элементной базы сначала идёт построение и преобразование различных биомолекул и структур, и только потом эти средства могут участвовать в различных информационных процессах. В связи с этим аппаратная часть клетки становится носителем и реализатором соответствующей программной и молекулярной биологической информации.

Получается так, что если в технической системе аппарат является преобразователем информационных символов, то в живой клетке наоборот, - молекулярные буквы и символы, организованные в различные молекулярные последовательности информационных сообщений, сами выступают в роли преобразователей аппаратной части. Причем, функции биомолекул полностью определяются элементарными функциями составляющих их био-логических элементов (букв или символов), - то есть информацией. А каждый элемент в составе биомолекулы всегда взаимодействует с другими элементами или молекулами воды по особым принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. Поэтому биохимические элементы здесь, по-видимому, становятся ещё и теми программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы функционального поведения различных биологических молекул и структур. Таким образом, чтобы изменить функциональную направленность деятельности клетки - ей, в определённой мере, с помощью новых информационных сообщений, необходимо частично менять свою аппаратную систему. Смена аппаратной системы, естественно, связана с синтезом новых биомолекул и разрушением старых, которые отслужили свой срок и выполнили свою задачу. Поэтому, после выполнения своих функций, каждая биомолекула расчленяется на элементарные структурно-информационные единицы, которые вновь могут быть вовлечены в информационные процессы. Использованная информация как бы стирается и ликвидируется, а отдельные составляющие её буквы или символы, то есть “молекулярный биологический шрифт” рассыпается для того, чтобы вновь быть использованным в новых информационных сообщениях или других клеточных процессах. Такова основная отличительная особенность информационных передач в молекулярно-биологических системах.

Живая клетка экономна во всём. Если вспомнить, что химические буквы и символы (элементы) строятся на базе отдельных атомов и атомных групп, то можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в живой клетке, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра. К примеру, зигота содержит всю информацию необходимую для развития целостного организма.

Для изменения управляющих воздействий, клетке постоянно нужно обновлять информационные сообщения, что, соответственно, приводит и к обновлению аппаратной части клетки. Поэтому в живой клетке идет постоянное движение информации и вещества. С одной стороны идёт процесс переработки и обновление управляющей информации, а значит ферментов и других белковых молекул, с другой - это приводит к изменению химических управляемых процессов, которые осуществляются ферментами.

В случае необходимости данные процессы поддерживаются дозовой циркуляцией химической энергии в форме АТФ.

Можно убедиться в том, что для построения различных классов высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды или липиды, живая клетка использует различные системы (алфавиты) биохимических элементов. Заметим, что с информационной точки зрения, эти классы биологических молекул, представляют собой ничто иное, как различные виды и формы молекулярной информации. Поэтому, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах в живых системах существуют системы био-логических элементов разных типов:

• 1) нуклеотиды, - система структурно-функциональных и информационных биохимических элементов ДНК и РНК (алфавит нуклеиновых кислот);
• 2) аминокислоты, - система структурно-функциональных и информационных элементов белков (алфавит белковых молекул), для которых существует генетический код в виде тройки нуклеотидов;
• 3) простые сахара, - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) полисахаридов;
• 4) жирные кислоты, - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) липидов и др.

Более четкой идентификацией и классификацией био-логических элементов, по всей вероятности, должна заниматься отдельная дисциплина, такая как “молекулярная биологическая информатика”.

Наличие в живой клетке систем молекулярных биохимических элементов (мономеров) существенно упрощает процессы построения различных классов макромолекул и структурных компонентов, повышает технологичность их изготовления и, одновременно, расширяет их функциональные и информационные возможности.

Как мы видим, каждый типовой набор организован в свою систему элементов, которая обладает общими биохимическими, структурными и технологическими особенностями, образует однотипные связи между элементами, совместимые по своим физико-химическим параметрам. В основном из этих молекулярных элементов в различных сочетаниях, составе и последовательности построены все структурные и функциональные компоненты живой клетки. Следует отметить, что каждая система биохимических элементов в клетке является отдельным алфавитом и характеризуется своим способом кодирования, а также видом и формой представления молекулярной биологической информации. Это, соответственно, и является первопричиной появления различных классов и великого разнообразия биологических молекул в живых системах.

Удивительно, но факт - всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых строительных блоков - стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных био-логических (биохимических) элементов.

В состав этого уникального набора входят:

• 1) восемь нуклеотидов, - “четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуру РНК” ;
• 2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул;
• 3) несколько жирных кислот, - сравнительно небольшое число простых стандартных органических молекул, служащих для построения липидов;

4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов).

Все эти элементы были отобраны в процессе эволюции, вследствие их уникальной пригодности к выполнению различных - химических, энергетических, молекулярных, информационных и других биологических функций в живых клетках.

Как мы видим, основой каждой системы являются свои индивидуальные молекулярные био-логические (биохимические) элементы. А на базе различных систем био-логических элементов, - молекулярных алфавитов, могут быть “сконструированы” разнообразные макромолекулы клетки - ДНК, РНК, белки, полисахариды и липиды. Поэтому элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры, а затем с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения.

“Структурные схемы” базовых молекулярных элементов, их природные свойства и особенности достаточно наглядно рассмотрены и представлены в различных учебниках по биохимии. Наша задача - больше уделить внимания информационным аспектам применения таких биохимических единиц.