Биогенная характеристика органогенов и макроэлементов.
Углерод. Благодаря способности углерода давать огромные количества различных соединений возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором и серой являются основой живых биологических структур. Из общей массы живого вещества углерод составляет около 10%. Общее содержание углерода в организме человека равно примерно 16 кг.
Водород. Является одним из наиболее распространенных элементов во Вселенной и составляет около 1% массы земной коры. В организме человека содержится около 10% водорода. Его содержание в белках колеблется от 6,5 до 7,3%. Молекулы нуклеиновых кислот соединены между собой водородными связями. Все биохимические процессы совершаются при строго определенной, постоянной концентрации ионов водорода.
Азот. Общее содержание азота в организме составляет 3,1%. Играет важную роль в обмене веществ: обязательная составная часть белков (пептидные связи); также входит в состав гетероциклических соединений, нуклеотидов, некоторых витаминов и гормонов, ферментов. Таким образом, азот является обязательной частью каждой клетки любого организма. Азот образует довольно прочные ковалентные полярные связи, способные под влиянием биологических катализаторов легко разрываться, создавая условия для биохимических реакций.
Фосфор. Как и азот, фосфор относится к органогенам и играет важную роль в обмене веществ. Его содержание в организме человека составляет примерно 1% от массы тела. Основное количество фосфора (85%) содержится в костях и зубах; важное значение для организма имеет и содержание фосфора и его соединений в крови, головном мозгу, нервных волокнах, т.к. он входит в состав белков, жиров, ферментов и других сложных органических систем в виде фосфат-ионов. Фосфаты сахаров, аминокислот и др. весьма реакционоспособны, поэтому первой стадией биохимических процессов является превращение органического соединения в сложный эфир фосфорной кислоты. Содержащаяся в живых тканях аденозинтрифосфорная кислота является основным аккумулятором энергии. Фосфаты калия и натрия имеют важное значение для поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме. Обмен фосфора тесно связан с обменом кальция. Для его всасывания и усвоения необходим витамин D. Суточная потребность человека в фосфоре равна 1-2 г и полностью удовлетворяется за счет пищи.
Кислород. Общее содержание кислорода в организме человека составляет 62,43%. В состоянии покоя взрослый человек потребляет 264 см3 кислорода в минуту, участвуя во всех видах обмена веществ. Все реакции окисления-восстановления протекают при наличие кислорода. В количестве 21,3-23,5% входит в состав белков, витаминов, гормонов ферментов и др. веществ.
Сера. Общее содержание серы в организме составляет примерно 140 г. Суточная потребность взрослого человека в сере около 1 грамма. Сера как органоген входит в состав многих веществ, в том числе белков, аминокислот, гормонов и витаминов, является составной частью сульфгидрильных групп (SH). Много серы в кератине волос, костях, нервной ткани. В организме сера окисляется с образованием серной кислоты, которая участвует в обезвреживании ядовитых соединений.
Хлор. Его содержание в организме человека составляет около 100 г, суточная потребность 4-6 г. Находится в основном во внеклеточной жидкости. Свободный (молекулярный) хлор токсичен и вдыхание воздуха, содержащего даже малые количества этого газа, вызывает раздражение дыхательных путей, мучительный кашель и отек легких. Ионы хлора являются непременной составной частью биологических жидкостей. Они активируют некоторые ферменты, влияют на функцию клеточных мембран, их электропроводность, участвуют в регуляции осмотического давления и водно-солевого обмена, входят в состав соляной кислоты, которая необходима для пищеварения.
Натрий. Один из основных внеклеточных ионов. Содержание натрия в организме человека составляет 0,25%. Суточное потребление натрия человеком, как правило, значительно превышает физиологическую потребность и составляет в среднем 3-6 г в день. Практически в таком же количестве он выводится из организма. Биологическая роль его многообразна. Это основной катион, участвующий в поддержании кислотно-щелочного равновесия и осмотического давления внеклеточных и внутриклеточных жидкостей. 1 моль ионов натрия осмотически связывает 400 моль воды. Ионы натрия и калия участвуют в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток и поддерживают нормальную возбудимость мышечных волокон. При изменении содержания ионов натрия в организме происходит нарушение функции нервной, сердечно-сосудистой систем, гладких и скелетных мышц. Натрий оказывает влияние на работу ферментов и обладает резко выраженной способностью усиливать набухание белков. На этой его особенности основан метод борьбы с отеками, который заключается в ограничении поступления солей натрия в организм.
Калий. Является основным внутриклеточным ионом. Общее содержание в организме человека – 0,22%. Благодаря определенному соотношению ионов натрия и калия поддерживается нормальный ритм мышечной работы (образуется система, обеспечивающая изотоничность клеток и окружающей среды, а также нормальное течение биоэлектрических явлений, связанных с процессами нервной и мышечной возбудимости и проводимости). Большие дозы калия угнетают автоматизм и сократительную функцию миокарда. Ионы калия участвуют в синтезе белков, обмене углеводов, входят в состав некоторых ферментов и влияют на их активность.
Магний. Является внутриклеточным ионом. В организме взрослого человека содержится около 20 г магния. Половина этого количества сосредоточена в костях, остальное в биологических жидкостях, в основном в плазме крови. Его концентрация внутри клеток в 3-10 раз выше, чем во внеклеточной среде. Около 30% его связано с белками, а 10-15% входит в состав комплексных соединений с липидами и нуклеотидами. Содержание магния в сыворотке крови, эритроцитах, моче служит диагностическим тестом при заболеваниях.
Кальций. Внеклеточный ион. Содержание в организме взрослого человека составляет около 20 г на 1 кг массы тела; у новорожденных – 9 г. Основная часть кальция (99%) содержится в костной и хрящевой тканях в виде карбоната, фосфата, соединений с хлором и органическими кислотами. В сутки взрослый человек должен получить с пищей от 800 до 1100 мг кальция. Особенно в нем нуждаются дети, беременные женщины и кормящие матери. Процесс окостенения в растущем организме протекает нормально только при сохранении оптимального соотношения кальция и фосфора (регулятором является витамин D). Ионы кальция принимают участие в передаче нервных импульсов, регулировании работы сердца, в свертывании крови. Особая роль принадлежит кальцию в механизме мышечного сокращения; его уменьшение в организме сопровождается возбуждением нервной системы (тетания). Входит в состав некоторых ферментных систем (лецитиназа) и влияет на их активность. Ионы кальция влияют на кислотно-щелочное равновесие, функцию эндокринных желез, оказывают противовоспалительное действие.
Краткая гигиеническая характеристика некоторых микроэлементов дана в таблице 15.
Таблица 15
Содержание отдельных микроэлементов в суточном пищевом рационе
| Элемент | Основные источники поступления в организм человека. | Содержание в суточном рационе (мг) | Суточная потребность (мг) |
| фтор F | Вода, овощи, молоко | 0,4 - 1,8 | 2 – 3 |
| бром Br | Хлебопродукты | 0,4 - 1,0 | 0,5 - 2,0 |
| йод J | Молоко, овощи, мясо, яйца, морепродукты | 0,04 - 0,2 | 0,05 – 0,2 |
| железо Fe | Фасоль, гречневая крупа, печень, мясо, овощи, фрукты, хлебопродукты, шпинат, чернослив, изюм, шоколад | 15 - 40 | 10 – 30 |
| кобальт Co | Молоко, овощи, говяжья печень, хлебопродукты | 0,01 - 0,1 | 0,04 – 0,07 |
| марганец Mn | Овощи, печень, почки, хлебопродукты | 4 - 36 | 2 – 10 |
| медь Cu | Чай, фрукты, картофель, орехи, грибы, соя, кофе, печень, хлебопродукты | 2 - 10 | 2 – 5 |
| молибден Мо | Бобовые, печень, почки, хлебопродукты | 0,1 - 0,5 | 0,1 - 0,5 |
| цинк Zn | Мясо, овощи, хлебопродукты | 5 - 30 | 5 – 20 |
В настоящее время остро стоит вопрос чистоты воздуха, почвы, питьевой воды и пищевых продуктов. Элементы-загрязнители часто называют «тяжелые металлы», т.к. в эту группу прежде всего входят химические элементы с массой 50 а.е.м. и более, хотя сюда же относят и более легкие элементы (Ве, F, CI), и неметаллы (галогены, As, Sb). Т.е. и не «тяжелые», и не «металлы». Поэтому более корректным нам кажется термин «токсичные элементы».
Но и в этом случае необходимо быть осторожным в терминах: уже давно в литературе такие элементы, как Mn, Cu, Zn, Mo встречаются и среди «биогенов», и среди «тяжелых металлов». А в последнее время появляется все больше сведений о присутствии некоторых безусловно токсичных элементов в живых организмах и растениях как необходимых для обмена веществ (микродозы):
Cd– стимулирует рост животных;
Pb– необходим растениям и животным для обмена веществ;
As– химически близок фосфору и потому способен замещать его при гликолизе, брожении, в процессах распада углеводородов;
Se–участвует в окислении липидов, разрушении перекисных радикалов и Н2О2 , метилировании;
Be – стимулирует обмен веществ некоторых живых организмов;
F – ион фтора замещает гидроксид-ион в основном фосфате кальция костной ткани, в неминерализованных тканях и активном центре ферментов;
V- необходим растениям и животным для обмена веществ: участвует в биосинтезе белка; стимулирует процессы фотосинтеза и катализирует фиксацию молекулярного азота.
Выходит, что понятие «токсичные элементы» не столько качественная категория, сколько количественная.