Характеристика і біологічна роль мікроелементів
Марганець. Цей мікроелемент міститься в усіх органах, тканинах І рідинах організму і відіграє важливу роль у забезпеченні численних реакцій проміжного та внутрішньоклітинного обміну. Біологічна роль марганцю зумовлена здатністю його до комплексоутворення в кисне-та азотовмісними органічними лігандами, а також участю в реакціях оксидоредукції. Вміст марганцю в організмі становить І0~5 %. Найбільший вміст даного мікроелемента в мозку, м'язах, печінці, а також у продуктах рослинного походження.
Біологічний вплив марганцю на обмінні процеси в організмі опосередкований взаємозв'язком його з деякими біологічно-активними сполуками: ферментами, вітамінами, гормонами. Марганець позитивно впливає на процеси розвитку, росту, клітинного поділу, стимулює еритропоез, імунологічні процеси. Іони Мп2+ є активаторами ферментів, що забезпечують численні анаболічні та катаболічнІ процеси, у зв'язку з чим даний мікроелемент бере участь в обміні білків, вуглеводів, ліпідів. Марганець посилює розщеплення білків, виявляє ліпо-тропннй ефект і запобігає ожирінню.
Важлива роль марганцю і в вуглеводному обміні. Більшість ферментативних реакцій при анаеробному й аеробному розщепленні вуглеводів активується іонами Мгї' . Марганець є активатором ферментів: дегідрогеназ лимонної і яблучної кислот — важливих субстратів циклу Кребса, в якому проходить окислення до кінцевих продуктів багатьох метаболітів, що утворюються при розщепленні біополімерів, в процесі внутрішньоклітинного обміну. Марганець необхідний для дії ферментів лужних фосфатаз, деяких пептидаз, синтетаз та ін. Він ■осилює дію інсуліну, впливає на обмін вуглевод-білкових комплексів, сприяє підвищенню активності ферменту гексокінази, який каталізує утворення фосфорних ефірів моносахаридів, і включає їх у процеси окислення до кінцевих продуктів. Іони Мп2+ виявляють синергічну дію з іонами Mg2+ і можуть замінювати один одного на певних етапах метаболізму.
Марганець фізіологічно пов'язаний з вітамінами Blf В12, С, Е, В8. Так він позитивно впливає на синтез вітаміну С in vitro, сприяє підви-
щенню біологічної активності вітамінів В2 і В12, виступає в ролі необхідного металокомпоненту (аргіназа, фосфотрансфераза), посилює засвоєння йоду організмом та синтез гормонів щитовидної залози. При нестачі даного мікроелемента розвивається анемія, послаблюється еритропоез, імунні реакції, виникають рахітоподібні зміни скелета, порушується діяльність ендокринних функцій центральної нервової системи. Добова потреба в марганці — 5—7 мг.
Мідь. Для життєдіяльності організму це також досить важливий біоелемент. Масова частка міді в організмі становить 10-4 %. Основна кількість мікроелемента зосереджена в печінці в складі білка гемо-куирену. В білках плазми мідь утворює комплекси з альбумінами та глобулінами. Білок церулоплазмін містить до 90 % всієї міді сироватки крові.
Подібно до інших металів, іони міді здатні утворювати комплекси з молекулами різних органічних сполук, що зумовлює участь їх у різноманітних процесах обміну.
Існує тісний взаємозв'язок міді з ферментними системами, вітамінами і гормонами. Мідь посилює активність інсуліну, гормонів гіпофіза, статевих залоз, позитивно виливає на процеси росту, розвитку, еритропоез, виявляє гіпоглікемічну дію. Мідь є металокомпонептом багатьох ферментів (альдолази, КоА-дегідрогенази, тирозинази), стимулює білковий, вуглеводний і мінеральний обміни, сприяє синтезу колагену, еластину, гемоглобіну. Добова потреба міді — 2—3 мг.
Кобальт. Цей макроелемент характеризується різноманітною дією на різні ланки обміну речовин в організмі. Масова частка кобальту в організмі 10-5 %. Біологічна дія його опосередкована впливом на ферментні процеси, вітаміни і гормони. Кобальт позитивно впливає на гемопоез та синтез гемоглобіну, процеси обміну білків, вуглеводів, ліпідів, мінеральний обмін та обмін вітамінів. Кобальт-опорфіриновий комплекс є складовою частиною ціанкобаламіну — вітаміну В,2, який відіграє важливу роль у процесах кровотворення. Мікродози кобальту поліпшують показники білкового та вуглеводного обмінів, сприяють синтезу білків, глікогену, виявляють ліпотро-пну дію.
Іони Со2+ здатні до комплексоутворення і є компонентами багатьох ферментних систем (гліциллізин-пептидази, етаноламіноксидази) або є активаторами ферментів (гідролази, дегідрогенази). Здатність кобальту змінювати ступінь окислення Со2+ *± Со3+ забезпечує участь даного мікроелемента в процесах оксидоредуплікації: Со3+ -+-+ є ->- Со2+; Со2+ — є -*■ Со3+. При нестачі кобальту виникає злоякісна анемія, порушуються процеси обміну. Добова потреба в кобальті — 40 —70 мкг.
Нікель. Цей елемент належить до біоелементів, нестача чи надлишок якого спричиняє порушення багатьох ланок обміну речовин в організ-
..... кинмьа частка нікелю в організмі людини 10~6 %. Основна кількість мікроелемента зосереджена в підшлунковій залозі, гіпофізі, печінці, нирках.
Біологічна роль нікелю в організмі різноманітна. Він впливає на обмін білків, вуглеводів, ліпідів та інших біополімерів, на морфологічний" склад крові, має виражений гемопоетичний ефект, нормалізує вміст гемоглобіну. Іони Ni2^ в організмі утворюють комплекси з різними органічними і неорганічними лігандами. Важлива роль І\'і2+ в активації деяких ферментів, зокрема таких як аргіназа, трипсин, кар-боксилаза, уреаза. Нікель є досить важливим регулятором функції підшлункової залози, посилює синтез інсуліну. Всі ці ефекти характерні для біотичних доз нікелю. Надмірне надходження даного мікроелемента в організм спричиняє порушення вуглеводного обміну і може бути причиною «нікелевої» сліпоти.
Молібден. Масова частка молібдену в організмі людини становить 10-5 %. Головним депо мікроелемента є печінка, нирки, залози внутрішньої секреції. Молібден є ефективним активатором деяких ферментних систем, які забезпечують катаболічні та анаболічні процеси. Відомі також металоензими, до складу яких входить молібден. Особливо важлива роль молібдену в забезпеченні біологічної активності ферментів, які сприяють катаболізму пуринів. Так, молібдензалежний фермент ксантиноксидаза бере участь в окисленні ксаитину до сечової кислоти — кінцевого продукту пуринового обміну у людини і вищих тварин. Молібден позитивно впливає не синтез гемоглобіну та на процеси засвоєння азоту, на обмін вітамінів С і В,2, підвищує фагоцитарну активність лейкоцитів. Надмірне надходження молібдену в організм спричиняє дисбаланс деяких макро- і мікроелементів — посилеік' видалення з організму фосфору, заліза, цинку, міді. За цих умов може розвиватись ендемічна молібденова подагра та інші порушення обміну в організмі.
Нестача молібдену також негативно впливає на обмін речовин в організмі. Добова потреба в молібдені —0,15—0,30 мг.
Алюміній — незамінний біоелемент. Масова частка алюмінію в організмі 10-5 %. Основна кількість мікроелемента міститься в сироватці крові, печінці, кістках, нервовій системі, підшлунковій залозі.
Біологічна роль алюмінію грунтується на участі його в процесах формування епітеліальних клітин і сполучної тканини, обміні фосфатів. Низькі біотичні дози алюмінію виявляють активуючу дію на ферменти білкового та вуглеводного обміну, а більш високі — виявляють протилежний ефект. Солі алюмінію утворюють комплекси з білками, тому використовуються як в'яжучі, антизапальні, кровоспинні засоби. Іони АІ3+ є інгібіторами ферментів, які забезпечують гемопоез. Добова потреба в алюмінії — 49 мг.
Бор — знаходиться в організмі в кількості 10~5 %, зосереджується в легенях, селезінці, ендокринних залозах, нирках, мозку. Бі-
ологічна роль бору вивчена недостатньо. Відома певна роль бору в вуглеводному і білковому обмінах, а також в обміні деяких біологічно-активних сполук (вітамінів, гормонів, ферментів). Надлишок бору в організмі спричиняє порушення багатьох ланок обміну, може бути причиною ендемічних ентеритів. Біологічні дози виявляють антиепілеп-тичний ефект.
Йод — життєво необхідний мікроелемент. Вміст в організмі 10-' %, або 25 мг. Основна кількість йоду концентрується в щитовидній залозі (15 мг), а решта — в різних органах — печінці, нирках, крові, мозку. Вміст йоду в крові є своєрідною константою і становить 10—6 —10
Основна біологічна функція йоду — синтез гормонів щитовидної залози (тироксину і трийодтироніну). При нестачі йоду розвивається захворювання ендемічний зоб, порушуються процес росту, розвитку, формування кісткової тканини. Йод впливає на водно-сольовий обмін, окислювально-відновні процеси, фагоцитарну активність лейкоцитів, позитивно впливає на фізичний та психічний розвиток.
ОБМІН СОЛЕЙ
Враховуючи важливу біологічну роль мінеральних речовин у забезпеченні процесів життєдіяльності, постійне надходження їх з продуктами харчування є необхідною умовою існування живих організмів, тобто постійне поповнення організму макро- і мікроелементами є життєво необхідним. Дослідженнями було встановлено, що однією з умов забезпечення повноцінності добового раціону є збалансованість його не лише за такими важливими компонентами, як білки, вуглеводи та ліпіди, а й за біологічно-активними сполуками та макро- і мікроелементами. Макро- і мікроелементи надходять в організми людини і тварин з продуктами харчування рослинного і тваринного походження, питною водою і частково з повітрям. Вміст макро- і мікроелементів у різних продуктах харчування, як правило, достатній для задоволення добової потреби в них. У рослинних продуктах міститься значна кількість калію, натрію, фосфору, заліза, магнію та інших елементів. У продуктах тваринного походження міститься значна кількість сірки, фосфору, кальцію, марганцю, магнію, фтору.
Важливим є питання про потребу організму в біогенних елементах, оскільки несгача або надмірне надходження їх в організм може стати причиною різних захворювань. Потреба організму в біоелементах залежить від багатьох факторів — віку, статі, фізіологічного стану» фізичного навантаження, стану центральної нервової системи. Відомо, що потреба в деяких хімічних елементах в дитячому віці значно вища, ніж в дорослому. Це стосується насамперед заліза, кальцію, фосфору та деяких інших елементів.
При визначенні потреби в хімічних елементах слід враховувати вміст їх у навколишньому середовищі в межах певних геохімічних
17 5-287
провінцій. Враховуючи важливу біологічну роль хімічних елементів у забезпеченні перебігу численних метаболічних реакцій, концентрація хімічних елементів в організмі повинна підтримуватись на певному рівні. Нормальне насичення тканин хімічними елементами є важливим показником гомеостазу, тобто хімічні елементи повинні надходити в організм в кількостях, які повністю задовольняють потребу в даному елементі, але не в надмірній кількості, оскільки нестача або надлишок хімічних елементів буває причиною виникнення та розвитку різних захворювань (зоб, рахіт, анемія). У результаті досліджень встановлено, що такі елементи, як Mg, Ca, Cr, Cu, In, Cd, відіграють певну роль у розвитку серцево-судинних захворювань людини, деяких ендемічних хвороб, пов'язаних з нестачею Co,*Zn, І, а також з незбалан-сованим вмістом Cu, F, Мп, Se. Досить чутливі до нестачі чи надлишку в навколишньому середовищі певних елементів організми рослин і тварин. Для живих організмів важливим є не лише кількісний вміст, а й якісний склад мінеральних речовин та певне співвідношення між окремими хімічними елементами. Порушення даного співвідношення, як правило, € причиною виникнення різних захворювань.
Хімічні елементи, які надходять в організм з продуктами харчування, всмоктуються в травному каналі. Вважають, що мінеральні речовини повинні складати близько 4 % добового раціону. Досить важливим є не лише кількісний вміст певних макро- і мікроелементів у добовому раціоні, а й співвідношення між ними, оскільки надмірне введення в організм одного хімічного елемента може спричинити підвищене виведення іншого. Справа в тому, що між певними іонами в рідинах і тканинах організму існують досить специфічні взаємозв'язки, біологічна роль і функції їх, як правило, різні. Рекомендовані норми добової потреби в окремих макро- і мікроелементах такі: хлор —6— 8 г, натрій — 4—8, калій — 2—3, сірка — 1,2, фосфор — 1,6—2, кальцій — 0,9—1,0, магній — 0,6—0,7, залізо — 15 мі, цинк — 11 — 16, мідь — 2—3 мг, йод — 100—200у.
В організм людини макро- і мікроелементи потрапляють з продуктами харчування у вигляді мінеральних та органічних сполук. Органічні сполуки під впливом специфічних ферментів розщеплюються, внаслідок чого мінеральні компоненти, що були в їхньому складі, перетворюються на неорганічні солі, які засвоюються організмом. Всмоктування мінеральних речовин залежить від багатьох факторів і насамперед від форми, в якій знаходиться сполука, активності ферментів, що забезпечують процес травлення, складу харчової маси.
Всмоктування мінеральних солей може відбуватись у вигляді Іонів або органічних сполук. Найкраще всмоктуються легкорозчинні мінеральні солі натрію, калію та інших одновалентних катіонів. Двовалентні катіони (A\g2+, Ca2:) з вищими ступенями окислення, а також їх солі всмоктуються гірше. З аніонів найкраще всмоктуються іони С1~, значно повільніше — Вг_, N07, $>02Г. Досить повільно 506
всмоктуються фосфати та карбонати магнію і кальцію, а також сульфати натрію і магнію. Всмоктування деяких іонів забезпечується за рахунок утворення комплексу з сполуками, які полегшують перенесення їх крізь стінки клітинного епітелію кишок. Так, залізо інтенсивніше всмоктується в комплексі з білком апоферетином. Інтенсивність всмоктування багатьох сполук підвищується у присутності соляної кислоти, солей жовчних кислот, вітамінів та ін.
Деякі хімічні елементи можуть всмоктуватись у складі органі1 сполук (сірка в складі амінокислоти цистеїну, йод у складі тироніну). Після всмоктування мінеральні речовини з током крові потрапляють до різних органів і тканин. Значна кількість мінеральних речовин депонується в печінці, звідки може використовуватись у міру потреби. Частина мінеральних речовин циркулює в крові, плазмі, синовіальній рідині, лімфі. Окремі елементи нагромаджуються в специфічних для них депо. Так, основна маса заліза зосереджується в кістковому мозку, селезінці, фосфор, кальцій, магній — в кістковій тканині, цинк — в підшлунковій залозі, йод — в щитовидній залозі. Подібна особливість характерна і для рослинних організмів. Відомі рослини, які можуть нагромаджувати в тканинах значну кількість хімічних елементів, що є характерною видовою особливістю і використовується як важлива геоботанічна ознака для прогнозування при відкритті корисних копалин. Відомо, наприклад, що плауни нагромаджують алюміній, деякі отруйні гриби — селен.
Вміст хімічних елементів в організмі може зазнавати значних змін при різних патологічних процесах. При цьому, як правило, відбувається не лише зміна кількісного вмісту та якісного складу, а й перерозподіл хімічних елементів між органами, тканинами та рідинами організму, що може бути використано як важливий діагностичний показник. Так, встановлено, що при серцевій недостатності в плазмі крові значно знижується вміст цинку і разом з тим підвищується вміст міді в тканині серця, особливо в інфарктній зоні. При гіпертонічній хворобі в еритроцитах значно зменшується вміст літію.
Як правило, найбільша кількість мікроелементів нагромаджується в тканинах, для яких характерний досить високий рівень обміну та різноманітність функцій (печінка, підшлункова залоза). Великою різноманітністю мінерального складу відзначаються також рідини організму — молоко, кров, плазма, слина, піт.
За кількісним складом певних хімічних елементів перше місце посідає кров, в якій виявлено понад ЗО хімічних елементів, в тому числі і такі, як Аі, As, Co, Mo. У певних кількостях мінеральні елементи можуть зв'язуватись з білками крові і плазми, утворюючи ме-талопротс-їди — нерулоплазмін, трансферин. У вигляді цих сполук здійснюється перенесення міді та заліза до різних органів, де вони використовуються для потреб організму. Частина хімічних елементів у рідинах знаходиться в іонізованому стані.
If*
Шляхи виділення мінеральних речовин з організму різні. Основна маса мінеральних речовин виділяється через нирки з сечею. Певна кількість їх виділяється через кишки і шкіру. З сечею виділяються хлориди, сульфати, фосфати натрію і калію, йод, фтор, а також частково кальцій і магній. Із 360 г сухого залишку сечі, що виділяється за добу, 20 г складають мінеральні речовини.
Важкі метали (Hg, Pb), як правило, виводяться через кишки. Велика кількість мінеральних сполук виділяється через шкіру разом з потом. При високій температурі і вологості втрати мінеральних речовин з потом можуть бути досить значними, що негативно впливає на сольовий баланс організму. Для запобігання цьому в сталеплавильних цехах рекомендується вживати підсоленуїюду, що сприяє затриманню вологи в організмі.
Регуляція мінерального обміну тісно пов'язана з регуляцією обміну інших органічних сполук і забезпечується за рахунок нейрогуморальних механізмів.
Про участь нервової системи в регуляції мінерального обміну свідчить те, що від емоційного стану організму залежить посилення чи послаблення діурезу та потовиділення, що супроводжується затримкою чи втратою солей. На інтенсивність цих процесів впливають і гормони. Так, встановлено, що під впливом адреналіну значно знижується потовиділення, а під впливом тироксину — підвищується.
Важливу роль у регуляції мінерального обміну відіграють також інші залози внутрішньої секреції: гіпофіз, підшлункова, паращито-видні, статеві. Так, гормон кори надниркових залоз (альдостерон) регулює розподіл натрію і калію між плазмою крові та еритроцитами, тобто співвідношення між екстра- та інтрацелюлярними елементами, а отже, розподіл води в організмі.
Гормони щитовидної залози і статеві гормони посилюють діурез та виділення мінеральних речовин з організму. Важлива роль у регуляції фосфорно-кальцієвого обміну належить гормонам паращито-видних залоз (паратгормон і кальцитонін), а також соматотропному гормону. Порушення нейрогуморальної регуляції мінерального обміну є причиною деяких захворювань.
Запитанняі вправи для самоконтролю
1.Які процеси включає поняття водно-мінеральний обмін?
2. Яке значення ворганізмі має даний вид обміну?
3. Яка роль води та мінеральних солей у забезпеченні процесів життєдіяльності?
4. Який вміст води в живих організмах?
5. Що таке вільна і зв'язана вода, її функції?
6. Яка роль іммобільної там?
7. Що таке ендогенна вода, які джерела її утворення?
8. Що таке макро- і мікроелементи?
9. Яка потреба організму у воді і мінеральних солях?
10. Які функції в організмі виконують макро- і мікроелементи?
11. Яка роль мікроелементів у забезпеченні активності ферментних систем?
12. Які порушення обміну виникають при нестачі чи надлишку макро- і мікроелементів?
13. Що таке ендемічні захворювання, причина їх виникнення?
14. За участю яких механізмів здійснюється регуляція водно-мінерального обміну?
РОЗДІЛ XV. ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК МІЖ ОБМІНОМ БІЛКІВ, ВУГЛЕВОДІВ І ЛІПІДІВ
Обмін речовин в організмі як один з основних проявів життєдіяльності — єдиний біологічний процес. Всі перетворення речовин і енергії, процеси синтезу і розкладання, анаболізму і катаболізму взаємозв'язані, взаємозумовлені і тонко координовані нейрогуморальними механізмами, що забезпечує існування організму як єдиної впорядкованої високоорганізованої системи.
Обмін основних класів органічних сполук — білків, вуглеводів і ліпідів — є єдиним метаболічним процесом, який підлягає основним діалектичним закономірностям взаємозалежності, взаємоузгодженості і взаємоперетворення. Тому неможливо уявити в живих системах ізольованого перетворення кожного з цих класів органічних сполук. У клітинах організму перетворення жирів, білків і вуглеводів, їх розщеплення і синтез здійснюються одночасно й узгоджено, внаслідок чого забезпечується сукупність метаболічних реакцій, які становлять гармонічний баланс організму, що нормально функціонує.
При порушенні обміну одного з трьох класів органічних сполук в організмі виникають патологічні зміни, які значною мірою впливають на обмін інших речовин. Порушення обміну білків не може не відобразитися на обміні вуглеводів і ліпідів і навпаки. На перших стадіях катаболізму основних класів органічних сполук виникають різні за будовою і властивостями проміжні продукти обміну (метаболіти). Під час обміну метаболітів, що здійснюється різними специфічними шляхами, утворюються близькі за будовою або однакові проміжні продукти, які далі можуть використовуватись для синтезу білків, вуглеводів, ліпідів, або ж спільними шляхами окислюватись до кінцевих продуктів — С02 і Н20. Основною зв'язуючою ланкою між обміном білків, вуглеводів і ліпідів є цикл трикарбонових кислот.
З біохімічної точки зору взаємозв'язок між перетворенням вуглеводів, білків і ліпідів виявляється в тому, що з вуглеводів їжі за певних умов можуть утворюватись ліпіди, а з білків — вуглеводи. Тому при нестачі вуглеводів потреба в білках зростає, а недостатнє надходження ліпідів може компенсуватись вуглеводами.
Однак крім взаємоперетворення одних метаболітів в інші між окремими класами органічних сполук існує і складніша взаємодія, коли енергетичні потреби організму можуть забезпечуватись окисленням
Рис. 72. Схема взаємоперетворення білків, жирів і вуглеводів
якого-небудь одного класу органічних сполук при недостатньому надходженні інших, тобто так званий енергетичний взаємозв'язок. Якщо врахувати також роль в обмінних процесах і процесах перетворення метаболітів таких важливих біологічних каталізаторів, як ферменти, і універсальних регуляторів — гормонів, то стане зрозумілим, що узгодженість і координованість всіх метаболічних реакцій і різноманітних хімічних перетворень є необхідною умовою нормального функціонування організму.
Загальну схему взаємоперетворень білків, жирів і вуглеводів на
ведено на рис. 72. л