Микроэлементы

Микроэлементы выполняют структурную функцию, входя в состав твердых и мягких тканей организма. Они участвуют во всех физиологических функциях организма: обменных процессах, тканевом дыхании, росте и размножении организма, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы стимулируют функции кроветворных органов, нервной и сердечно-сосудистой систем, мобилизуют защитные функции организма и т.д. Микроэлементы участвуют в выполнении важнейших функций белков: участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, таким образом, оказывая влияние на генетический код; нуклеопротеидов, влияя, таким образом, на нервную деятельность. Микроэлементы выполняют каталитическую функцию, являясь активаторами и регуляторами ферментов, участвуют в биосинтезе витаминов, гормонов, медиаторов, влияют на их биологическую активность. Под действием микроэлементов усиливается фагоцитарная активность лейкоцитов (цинк, кобальт, медь, железо, йод). Некоторые элементы способствуют торможению развития раковых клеток (селен, цинк), другие элементы, например марганец, обладают антимикробным действием.

В основе биологического действия микроэлементов (они практически все относятся к d-элементам) лежит их способность образовывать как малоустойчивые (динамические), так и очень устойчивые комплексы с биосубстратами. Основными биолигандами являются белки, содержащие мягкие комплексообразующие группы -SH, -NH₂, -COO^-, которые с мягкими легкополяризуемыми группами образуют прочные комплексы (Cu²⁺, Co²⁺, Fe²⁺).

Как избыток, так и дефицит микроэлементов оказывает влияние на жизнедеятельность организма.

Железо. В организме взрослого человека содержится около 3-4г железа, из них около 73% входит в состав гемоглобина. В пище железо представлено в виде Fe₂O₃, попадая в кислую среду организма, оно восстанавливается до Fe²⁺.

Существует около 50 видов железосодержащих ферментов – цитохромов, которые катализируют процесс переноса электронов в дыхательной цепи за счет изменения степени окисления железа Fe³⁺ + e^{- ®} Fe²⁺. Железосодержащими ферментами являются каталаза и пероксидаза, активные центры которых содержат Fe³⁺. Каталаза эффективно разлагает H₂O₂ (1 молекула каталазы может разложить 44000 молекул H₂O₂).

В процессе эволюции природа создала замкнутый цикл использования железа. Все гемовые субстраты и, прежде всего, эритроциты после использования выделяют катионы Fe³⁺, которые депонируются с помощью белка ферритина в виде FeOOH, Fe×H₂PO₄. Далее от ферритина железо трансферритином переносится в костный мозг, где образуется гемоглобин в новых эритроцитах.

Железо усваивается из пищи на 10-30%. Адсорбция его повышается в присутствии аскорбиновой кислоты, солей кальция. Железо способно депонироваться в печени, селезенке, костном мозге. В депонированном виде находится около 20% железа. Физиологическая роль железа заключается в том, что оно входит в состав гемоглобина, миоглобина и ряда важных окислительных ферментов (пероксидазы), обеспечивая транспорт кислорода и тканевое дыхание. Железо входит необходимой частью в протоплазму и клеточные ядра. При отсутствии достаточного количества железа развивается анемия. Установлено, что в зерновых продуктах до 60% железа находится в неусвояемой форме. Наиболее легко усваивается железо овощей, фруктов и ягод. Хорошим источником железа является зелень петрушки.

Потребность взрослого человека в железе составляет 10мг в сутки для мужчин и 18мг для женщин.

Медь. В теле человека содержится около 150мг меди. Медь является кроветворным биомикроэлементом, участвует в синтезе гемоглобина, стимулирует созревание эритроцитов, способствует всасыванию железа и переносу его в костный мозг. Совместно с железом медь участвует в процессах тканевого дыхания. Медь обладает инсулиноподобным действием, она усиливает действие гормонов гипофиза и стимулирует рост. Медь является крайне необходимым элементом, связанный со способностью образовывать устойчивый комплекс с аминокислотами и белками, которые выполняют множественные каталитические функции. Они входят в состав дисмутаз и оксигеназ.

Медь содержится в небольших количествах в растительных и животных продуктах, больше всего в морепродуктах. Суточная потребность в меди составляет ~2мг в сутки (0,035мг на 1кг массы тела).

Кобальт. Стимулирует процессы кроветворения, участвует в обменных процессах, входит в витамин B₁₂ и участвует в его синтезе.

Потребность в кобальте 100-300мкг в сутки. Содержится он в воде, морских растениях, организме рыб и животных, печени, свекле, бобовых, землянике, грибах, грецких орехах.

В организме человека содержится 1,2мг кобальта, 14% его находится в костях, 43% - в мышцах и остальное – в мягких тканях. В организме он в основном содержится в витамине B₁₂, который необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов, синтеза аминокислот, белков и других важнейших для организма веществ. Накапливается B₁₂ в печени, его недостаток вызывает злокачественную анемию.

B₁₂ выполняет роль переносчика различных групп между биосубстратами. При этом:

+ e^-

Co^{3+ ¾®}_¾ Co²⁺.

- e^-

Никель. Стимулирует кроветворение, влияет на функцию поджелудочной железы, усиливая образование инсулина. Содержится в морепродуктах. Потребность в никеле не установлена.

Марганец. Общее количество марганца в теле человека составляет 10-12мг. Около 43% его содержится в костях, остальное – в печени, почках и мягких тканях. В биологических системах марганец присутствует в виде Mn²⁺ или его комплексов с белками, нуклеиновыми кислотами и аминокислотами. И хотя большинство этих комплексов, из-за большого размера Mn²⁺ и его жесткости, малоустойчивы, они способствуют активации большого числа ферментов разных классов – трансфераз, гидролаз, изомераз. Ионы Mn²⁺ стабилизируют конформацию нуклеиновых кислот, участвуют в синтезе белка и РНК. Марганец активизирует костную фосфатазу, принимает участие в окислительно-восстановительных процессах, способствует общей утилизации жира в организме. Таким образом, биогенная функция ионов марганца имеет широкий спектр: оказывает влияние на кроветворение, образование костей, минеральный обмен, рост, размножение и некоторые другие функции.

Лучшими источниками марганца являются растительные продукты: отруби хлебных злаков, ржаная мука и хлеб из нее, чай, кофе, бобовые. Потребность взрослого человека в марганце составляет 5-10мг в сутки.

Стронций. Связан с процессами оссификации костей. Установлено, что избыточное его поступление уменьшает образование костей (кальциево-фосфорных соединений). Кости становятся ломкими. Такие заболевания отмечены в некоторых районах СНГ (Туркмения, Каракумы). Это связано с тем, что в этих районах во внешней среде повышено содержание стронция.

Йод. В организме взросло человека находится около 25мг йода, из которого половина сосредоточена в щитовидной железе, она обладает способностью накапливать йод. В щитовидной железе йод способствует образованию ее гормона тироксина, который повышает основной обмен, способствуя потреблению кислорода и увеличивая скорость обменных реакций. Содержание йода в питьевой воде связано с геохимическими особенностями почвы и подвержено существенным колебаниям. Оно наибольшее в приморских районах и по мере удаления о моря снижается. В районах с низким содержанием йода наблюдается эпидемическая болезнь – зобная болезнь. Особенно чувствительны к недостатку йода дети школьного возраста.

В обычных продуктах питания содержание йода невелико (4-15мкг). Высоко его содержание в морском окуне, скумбрии и ставриде, очень высоко его содержание и в других морепродуктах. При длительном хранении и тепловой обработке значительная часть йода (от 20 до 60%) теряется. Для предотвращения зобной болезни в районах с низким содержанием йода иодируют поваренную соль (325мг на 1кг соли). К таким районам относится Башкортостан.

Суточная потребность в йоде 100-200мкг, и обычно она удовлетворяется за счет продуктов питания.

Фтор. Основное его количество сосредоточено в костях – 200-490 мг/ 1 кг, зубах – 240-560 мг/ 1 кг. Необходим для развития зубов, в костных тканях способствует нормализации Ca – F обмен.

Фтор содержится в морепродуктах, муке грубого помола, хлебе, чае. Поступление фтора сопровождается количеством в питьевой воде (оптимальное – 0,5-1,2 мг/1л).

Избыток и недостаток фтора не желательно. При избытке развивается флюороз – эмаль зубов покрывается желтыми пятнами, появляются трещины, становятся хрупкими и быстро разрушаются. Длительное избыточное потребление вызывает нарушение в Ca – F обмене. Флюороз встречается в тех местностях, где содержание фтора в воде больше 2 мг. При недостатке эмаль зубов наиболее мягкая и подвергается разрушению.

Суточная норма 0,8 – 1 мг. При этом 1/3 поступает с пищей, 2/3 с водой.

Цинк. В организме содержится 1,3 – 2,3 мг. 65 % в мышечной ткани, 20 % в костной ткани, 9 % в крови. Суточная норма 10- 20 мг.

Так как цинк имеет заполненный d- уровень, то в образовании связи принимают 4s электроны (Zn²⁺). В организме для цинка не характерно ОВР. В основном он образует комплексы:

Цинк содержится более чем в 40 металлоферментах: карбоксидазы, карбоксипептитазы, РНК и ДНК - полимеразы.

Например, содержащие цинк карбоксидаза катализирует превращение CO₂ в H₂CO₃. Цинк принимает участие в процессах дыхания и в поддержание кислотного баланса.

Цинк проявляет микотропные свойства, то есть повышает распад жира в организме, предотвращает ожирение печени. Цинк угнетает разрушение инсулина, оказывая воздействие на углеводородный обмен. Цинк стимулирует активность лейкоцитов. Из растительного сырья богаты бобовые и отруби. Из животного продуктов цинка больше в яичном белке, печени, курином мясе.

Суточная норма взрослого человека 10- 15 мг.

Хром. Принимает участие в углеводородном обмене, ускоряет окисление глюкозы, стимулирует синтез гликогенов. Хром сосредоточен в печени, кишечнике, железах внутренней секреции.

Суточная норма 50 – 200 мг. Недостаток – повышает холестерин, увеличивает содержание глюкозы в сыворотке крови.

Хром (VΙ) токсичен, мутогенен.

Селен. Наряду с серой входит в состав биоструктур. Из – за близости химических свойств данных элементов селен, и сера замещают друг друга в организме. Селен накапливается в ногтях и волосах. Замещает селен в метионине и цистеине, что способствует повышению активности ряда ферментов, то есть некоторое количество селена в организме оказывает положительное воздействие.

Суточная потребность 0,5 мг/сутки.

Недостаток – отрицательно сказывается на действие сердечно - сосудистой системы. Селен благотворно воздействует на иммунную систему, предупреждает раковые болезни.

Совместно с β- кератином, B – 12, E витаминами проявляют антиоксидантные свойства. Избыток сопровождается селеновым токсикозом, дерматитом, вызывает селеново – токсичную дегенерацию печени. Избыточное замещение с SH функции белка на SeH приводит к ингибированию клеточного дыхания.

Селен (ΙV) токсичен. Превращение тиосодержащих белков в группу S – Se – S: Prot – SH Prot – S – Se – S – Prot

Это нарушает вторичную и третичную структуру белка, нарушая их функции.

Молибден. В организме примерно 9 мг. С пищей потребляется 0,2 – 0,3 мг.

В биокомплексах молибден образует связь с карбоксильными, гидроксильными и тиольными группами. Молибден входит в качестве комплексона, в составе нитрогеназы, которая способствует фиксации азота и нитроредуктазы, которая катализирует восстановление нитратов до нитритов. Избыток молибдена вызывает мочекаменную болезнь.

Ультрамикроэлементы: ртуть, ванадий(V), вольфрам.

Фтор. Наиболее высоким содержанием фтора отличаются кости и зубы. В костях его 200-400мг/кг, в зубах 240-560мг/кг. Фтор необходим для развития зубов, формирования дентина и зубной эмали. Он играет также роль в костеобразовании и нормализации фосфорно-кальциевого обмена. Фтор содержится в морепродуктах, отрубях, чае. Усвояемость фтора из пищевых продуктов – 35%, а из воды – 60-64%. Поэтому поступление фтора в организм определяется содержанием его в питьевой воде. Оптимальным для здоровья содержанием фтора в питьевой воде считается 0,5-1,2мг/л. Как избыточное, так и недостаточное его поступление в организм неблагоприятно.

При избыточном поступлении фтора развивается флюороз. При этом эмаль зубов покрывается желтыми пятнами, трещинами, наблюдается изъеденность зубов, они становятся хрупкими и быстро разрушаются. Длительные воздействия фтора вызывают изменения в фосфорно-кальциевом обмене, развивается остеопороз костей. Флюороз наблюдается в местностях, где содержание фтора в питьевой воде выше, чем 2мг/л.

Фтор, потребляемый с водой, почти полностью всасывается, содержащийся в пище фтор всасывается в меньшей степени. Поглощенный фтор равномерно распределяется по всему организму. Он удерживается в скелете, и небольшое его количество отлагается в зубной ткани. В высоких дозах фтор может вызвать нарушение углеводородного, липидного, белкового обмена, а также метаболизма витаминов, ферментов и минеральных солей.

При недостаточном поступлении фтора в организм развивается кариес (ниже 0,5мг/л). Суточная потребность взрослого человека во фторе 0,8-1,6мг (1/3 поступает с пищей, 2/3 – с водой).

Цинк. В организме взрослого человека содержится 1,3-2,3г цинка, из них 20% - в костях, 65% - в мышцах, 9% - в крови, остальное – в печени и предстательной железе. Рекомендуемая ежедневная доза потребления составляет 10-20мг. Так как цинк имеет заполненный 3d-подуровень, то в образовании химических связей участвуют только два внешних 4s-электрона и во всех соединениях цинк проявляет степень окисления +2. Следовательно, в условиях организма для цинксодержащих субстратов окислительно-восстановительные превращения не характерны, но для них характерны комплексообразующие свойства.

Цинк очень важен для процессов пищеварения и усвоения питательных веществ. Так, цинк обеспечивает синтез важнейших пищеварительных ферментов в поджелудочной железе, а также участвует в образовании хиломикронов - транспортных частиц, в составе которых пищевые жиры могут всасываться в кровь.

В условиях дефицита цинка могут возникать эмоциональные расстройства, эмоциональная неустойчивость, раздражительность, а в очень тяжелых случаях - нарушения функций мозжечника.

Механизм действия Zn-содержащих ферментов может быть описан уравнением:

Цинк входит в состав более 40 металлоферментов (карбоангидразы, карбоксипептидазы, РНК, ДНК-полимераз и т.д.). Содержащая цинк карбоангидраза катализирует процесс гидратации CO2и дегидратации H2CO3, т.е. Zn участвует в процессе дыхания и поддержания кислотно-основного баланса. Этот процесс можно описать следующими уравнениями:

1) pH 7,8

2) pH 7,8

Цинк обладает липотропным свойством – повышает интенсивность распада жира в организме, предотвращая ожирение печени. Он оказывает влияние на углеродный обмен. Цинк угнетает процесс разрушения инсулина, удлиняя, таким образом, гипогликемический эффект. Цинк активирует биосинтез витаминов C и B, стимулирует активность лейкоцитов.

Из растительных продуктов цинком наиболее богаты бобовые и отруби (1-10мг/100г). В животных продуктах цинка от 1 до 3мг/100г. Много цинка в яичном желтке (4.9мг/100г), печени (4,5мг на 100г), мясе кур (2,7мг на 100г). Суточная потребность человека в цинке составляет 10-15мг.

Хром. Он принимает участие в углеводном обмене, усиливает действие инсулина, ускоряет окисление глюкозы, стимулирует синтез гликогена. Наибольшее количество хрома обнаружено в печени, железах внутренней секреции и кишечнике. Суточная потребность в хроме 50-200мкг.

Дефицит хрома приводит к повышению инсулина в крови, глюкозурии (сахар в моче), задержке роста, повышению содержания холестерина в сыворотке крови.

Избыток хрома вызывает хромовый дерматит. Шестивалентный хром обладает ярковыраженным общетоксическим, мутагенным и канцерогенным действием.

Селен. В живых организмах селен наряду с серой входит в состав биосубстратов в степени окисления -2. Вследствие близости химических свойств этих элементов они могут замещать друг друга в соединениях. При поступлении в организм селен, прежде всего, накапливается в ногтях и волосах. Он замещает атомы серы в аминокислотах метионин и цистеин, превращаясь в селенометионин и селеноцистеин. Это приводит к повышению активности ряда ферментов. Наличие необходимого количества селена в организме оказывает полезное действие. Потребность в нем составляет 0,5мг в сутки. Его недостаток вреден для сердечно-сосудистой системы, может вызывать инфаркт миокарда и другие заболевания коронарной системы. Кроме того, селен укрепляет иммунную систему; предупреждает раковые заболевания; является антиоксидантом, особенно совместно с -каротином, витаминами E и C; вместе с цинком обеспечивает комплексную защиту от свободных радикалов.

Избыток селена вызывает селеновый токсикоз с дерматитом, повреждение эмали зубов, анемию, селенотоксическую дегенерацию печени, типичное поражение ногтей и волос. Замещение -SH на -SeH в ряде ферментов в некоторых случаях приводит к ингибированию клеточного дыхания. Соединения, содержащие Se+4очень токсичны (они более токсичны, чем цианиды). Это, вероятно, вызвано их окислительными свойствами, из-за которых происходит превращение тиолсодержащих белков prot-SH в белки содержащие группы S-Se-S, что изменяет третичную структуру белка и нарушает их функции.

Молибден. В организме человека содержится около 9мг молибдена. С пищей человек потребляет 0,2-0,3мг в сутки. В биокомплексах молибден, прежде всего, образует связь с карбонильной, гидроксильной и тиольной группами биолигандов. Молибден входит в состав нитрогеназы, катализирующей реакцию фиксации молекулярного азота и нитратредуктазы растений и микроорганизмов, катализирующей восстановление нитрата до нитрита.

При избыточном поступлении молибдена увеличивается образование мочевой кислоты и возникает заболевание «молибденовая подагра».

Потребность в остальных микроэлементах не установлена. Считается, что она удовлетворяется за счет обычного суточного рациона.

Ультрамикроэлементы – ртуть, ванадий, вольфрам.

Дата добавления: 2015-10-16