Биологическая роль химических элементов в функционировании организма человека. Понятие гомеостаза

Исследование химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных и человека показали, что живые организмы содержат почти все элементы, что есть в земной коре и морской воде.

В результате естественного отбора основу живых систем составили 6 элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Они называются органогенами. Для них характерно образование водорастворимых соединений и многообразие химических связей. Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов, называются биогенными. В зависимости от концентрации в организме человека их делят на 3 группы (по Вернадскому):

• 1. Макроэлементы. Их содержание в организме более 10 ² %. О, С, Н, N, Р, S, Са, Mg, Na, Cl.
• 2. Микроэлементы. Их содержание в организме находится в пределах от 1(Г³ до КГ⁵ % . I, Си, As, F, Вг, Sr, Ва, Со.
• 3. Ультрамикроэлементы. Их содержание ниже 1(Г⁵ %. Hg, Au, V, Th, Ra, Se, Sb и другие.

В настоящее время в литературе ультрамикроэлементы объединены с микроэлементами в одну группу. В табл. 3.1 приведены уточненные данные по содержанию химических элементов в организме человека.

По значимости для жизнедеятельности химические элементы разделяют на жизненно необходимые (Са, Mg, К, Na, Р, Cl, Fe, Си, I, Zn, Mn, Cr, F, Мо, Со) и примесные элементы, биологическая роль которых недостаточно выяснена.

Биологическая роль химических элементов в организме человека разнообразна. Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, они входят в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов и поддерживают постоянное осмотическое давление, ионный и кислотно-основной состав.

Таблица 3.1

Содержание химических элементов в организме человека

Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, витаминов, участвуют в обмене веществ, тканевом дыхании и обезвреживании токсических веществ. Они влияют на процесс кроветворения, восстановления-окисления, проницаемость сосудов и тканей.

Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержатся в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, иод — в щитовидной, фтор — в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден — в почках, олово — в тканях кишечника, стронций — в предстательной железе, костной ткани, барий — в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром — в гипофизе и т. д. Данные по распределению (топографии) некоторых макро- и микроэлементов в организме человека приведены на рис. 11.

В организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов — химический гомеостаз. Гомеостаз (от греч. homoios — подобный, stasis — стояние) — способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять относительное динамическое постоянство своей структуры и свойств. Термин «гомеостаз» введен в 1932 г. американским физиологом У. Кэнноном. Поддержание гомеостаза — непременное условие существование организмов. Нарушение баланса оптимальных концентраций вследствие недостатка или избытка биогенного элемента мо-

Рис. 11. Концентрирование некоторых химических элементов в органах, тканях и биожидкостях человека

жет приводить к различным заболеваниям. Например, дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит иода — эндемический зоб, избыток Мо — эндемическую подагру.

Жизненную необходимость, дефицит, токсичность химического элемента представляют в виде кривой зависимости «концентрация или доза химического вещества, воздействующего на организм — реакция организма» (рис. 12).

Плато описывает область концентраций, соответствующих оптимальному росту, здоровью, воспроизведению.

Протяженность плато определяет способность организма приспосабливаться к меняющимся условиям в окружающей среде. Боль-

Рис. 12. Кривая зависимости реакции организма от концентрации

веществ в пище

шая протяженность плато указывает на малую токсичность элемента и большую способность организма к адаптации по отношению к значительным изменениям содержания этого элемента. Наоборот, узкое плато свидетельствует о значительной токсичности элемента и резком переходе от необходимых организму количеств к опасным для жизни.

У биологических объектов низшего иерархического уровня плато более выпукло. Значения Д и Д называются критическими (пороговыми) значениями. Область гомеостаза — это область отрицательной обратной связи, так как организм работает в сторону возвращения системы в исходное (стационарное) состояние. При сильных нарушениях гомеостаза объект может перейти в область положительной обратной связи, когда изменения, вызванные воздействием вредных веществ, могут стать необратимыми, и объект все дальше и дальше будет отклоняться от стационарного состояния вплоть до летального исхода.

Для токсинов и ксенобиотиков восходящая ветвь отсутствует, плато короткое (или отсутствует), а крутизна нисходящей ветви характеризует токсичность вещества (рис. 13).

На основании этих зависимостей устанавливают ПДК для различных веществ. Однако гибель организма происходит как при переизбытке, так и при недостатке жизненно необходимых веществ. Поэтому дальше мы рассмотрим роль биогенных элементов в функционировании организма человека, нормы их поступления в организм и заболевания, возникающие при отклонении от этих норм.

Установлено, что в ряде случаев неблагоприятное действие на человека промышленных выбросов может усиливаться дефицитом биологически активных микроэлементов, которые в недостаточном количестве поступают с пищей в организм.

Рис. 13. Отклонение от нормы в зависимости от концентрации ксенобиотиков

Для большинства микроэлементов определены суточные нормы поступления их в организм человека. Разработаны рекомендации и по использованию пищевых продуктов, компенсирующих недостаток в организме тех или иных химических элементов (табл. 3.2).

Роль химических элементов в функционировании организма человека, нормы их поступления и перечень основных источников

Таблица 3.2

Продолжение табл. 3.2

Окончание табл. 3.2