Класифікація біогенних елементів
Існує кілька класифікацій біогенних елементів. За В. І. Вернадським, залежно від середнього вмісту виділено 3 основні групи:
- Макроелементи, вміст яких в організмі вище 10-2%; до них відносяться кисень, вуглець, водень, азот, кальцій, фосфор, сірка, калій, натрій, хлор, магній; вони складають 99,99% живого субстрату; ще більше вражає, що 99% живих тканин містять тільки шість елементів: С, Н, О, N, P, Са; Мікроелементи, вміст яких в організмі знаходиться в межах від 10-2 до 10-5%; до них відносяться кремній, йод, фтор, стронцій, залізо, марганець, мідь, цинк, рубідій, бром та ін.; Ультрамікроелементи, вміст яких в організмі нижче 10-2%; до них відносяться молібден, селен, титан, кобальт, цезій та ін.
Макроелементи – C, P, H, O, N, S – входять до складу білків і нуклеїнових кислот. Залежно від функціональної ролі макроелементи ділять на:
- Органогени, в організмі їх 97,4% (С, Н, О, N, Р, S); Елементи електролітного фону (Na, К, Са, Мg, Cl).
Вміст:
- Вуглецю в білках від 51 до 55%; Кисню – від 22 до 24%; Азоту – від 15 до 18%; Водню – від 6,5 до 7%; Сірки – від 0,3 до 2,5%; Фосфору – близько 0,5%.
Максимальна кількість білків (80%) тварин і людини міститься в селезінці, легенях, м’язах; мінімальне (~ 25%) у кістках і зубах.
Вуглець, водень і кисень входять до складу вуглеводів, вміст яких ~ 2%. Ці елементи входять до складу ліпідів, а до складу фосфоліпідів входять також сполуки фосфору.
Ліпіди концентруються в:
- Головному мозку (12%); Печінці (5%); Молоці 2-3%; Сироватці крові 0,6%.
Основна кількість сполук фосфору (600 г) міститься в кістковій тканині, що становить 85% маси всього фосфору, який входить до складу організму. Кальцій, калій, натрій, магній і хлор називають елементами електролітного фону.
Найбільший вміст кальцію припадає на кісткову тканину (до 17% її маси), більше половини вмісту магнію також знаходиться в кістковій тканині. Фракція позакісткового кальцію складає всього 1% його загального змісту. Елементи К, Na, Mg, Fe, Cl, S називають олігобіогеннимі елементами. Вміст їх коливається від 0,1 до 1%.
Елементи, сумарний вміст яких становить величину порядку 0,01%, відносять до мікроелементів.
Їх зміст <0,001% (10-3-10-5%). Більшість мікроелементів міститься, в основному, в тканинах печінки. Це депо мікроелементів. Деякі мікроелементи виявляють спорідненість до певних тканин:
- Йод – до щитовидної залози; Фтор – до емалі зубів; Цинк – до підшлункової залози; Молібден – до нирок і т. д.).
Елементи, вміст яких менше, ніж 10-5%, відносять до ультрамікроелементів.
Дані про кількість і біологічну роль багатьох елементів не з’ясовані до кінця. Деякі з них постійно містяться в організмі тварин і людини:
- Ga; Ti; F; Al; As; Cr; Ni; Sc; Ge; Sn та ін.
Біологічна роль їх мало з’ясована. Їх відносять до умовно-біогенних елементів. Інші елементи (Ті, Sc, In, W, Re та ін.), які виявлені в організмі людини і тварин, дані про їх кількість і біологічної ролі не з’ясовані. Вони віднесені до домішкових елементів.
Домішкові елементи ділять на:
Ті, які акумулюються (Hg, Pb, Cd);
Ті, які неакумулюються (Al, Ag, Ga, Ti, F).
Відомі крилаті слова, сказані німецькими вченими Вальтером і Ідой Ноддак:
“У кожному кругляку на бруківці присутні всі елементи періодичної системи”.
Якщо погодитися з цим, то тим більше це повинно бути справедливо для живого організму.
Всі живі організми мають тісний контакт з навколишнім середовищем. Життя вимагає постійного обміну речовин в організмі. Надходженню в організм хімічних елементів сприяють харчування і споживана вода. Організм складається з води на 60%, 34% припадає на органічні речовини, 6% – на неорганічні.
Основними компонентами органічних речовин є С, Н, О.
B їх складу входять також N, Р, S. У складі неорганічних речовин обов’язково присутні 22 хімічних елементи. Наприклад, якщо вага людини становить 70 кг, то в ній міститься (у грамах):
- Са – 1700; К – 250; Na – 70; Mg – 42; Fe – 5; Zn – 3.
На частку металів доводиться 2,1 кг. Вміст в організмі елементів IIIA-VIA груп, ковалентнозв’язаних з органічною частиною молекул, зменшується із зростанням заряду ядра атомів даної групи періодичної системи Д. І. Менделєєва.
Наприклад, ω (О)> ω (S)> ω (Se)> ω (Fe).
Кількість елементів, які знаходяться в організмі у вигляді іонів (s-елементи IA, IIA груп, р-елементи VIIA групи), із зростанням заряду ядра атома в групі збільшуються до елемента з оптимальним іонним радіусом, а потім зменшуються.
Наприклад, під IIA групою при переході від Be до Са вміст в організмі збільшується, а потім від Ва до Ra знижується. Елементи-аналоги, які мають близьку будову атомів, мають багато спільного в біологічній дії. Відповідно до рекомендації дієтологічної комісії Національної академії США щоденне надходження хімічних елементів з їжею повинно знаходитися на певному рівні.
Стільки ж хімічних елементів повинно виводитися з організму, оскільки їх вміст в організмі знаходиться у відносній сталості. Класифікація, заснована на концентрації елементів в організмі проста і зручна, але вона не відповідає на головне питання біологічної ролі елементів.
Класифікація, заснована на біологічній ролі елементів, ділить елементи, виявлені в організмі, на три групи:
- Життєво необхідні (біогенні, есенціальні); Умовно-необхідні; Домішкові елементи з мало вивченою або невстановленою роллю.
На думку основоположників біогеохімії, всі наявні в природі елементи необхідні для існування живої речовини. В даний час немає єдиної думки на рахунок біогенних елементів. Ряд авторів відносять до числа біогенних елементів 17 хімічних елементів (H, C, N, O, Ca, Mg, K, Na, P, S, Cl, Fe, Zn, Mn, Cu, Co, Mo).
Інші дотримуються іншої точки зору і збільшують число есенціальних елементів до 30.
Але ця точка зору не є загальноприйнятою. До групи ессенціальних елементів МЕ PJ Aggett (1985) відносить МЕ:
- Fe; Cu; Zn; Mn; Cr; Se; Mo; I; Co.
Відтворення феномена есенціальний і, зокрема, підтримка життя, нормального росту і розвитку, репродуктивної здатності, запобігання захворювань і передчасного летального результату були отримано і у потомства тварин. Ці автори розрізняють класичні МЕ, перелік яких збігається з наведеним вище (з додаванням фтору і так звані нові есенціальні МЕ: Si, Sn, V, Ni, As, Cd, Li, Pb). Отже, ця точка зору поки ще не є загальновизнаною:
- Доказом біогенності елемента ці автори вважають поширеність в природі, всмоктування, транспорт, виділення з організму, фізіологічна роль і патологічні процеси, зумовлені дефіцитом і надлишком МЕ в організмі тварин і людини; Токсичні елементи виявляються у всіх досліджених органах, причому їх концентрація в нирках незвично висока – 0,59 ммоль/кг. Ртуть міститься в усіх органах, причому в головному мозку її концентрація досягає 0,014 ммоль/кг; ще вище концентрація даного мікроелемента в печінці (0,018 ммоль/кг). Талій у всіх органах перебуває майже на одному рівні (1,96 ммоль/кг) і тільки в головному мозку збільшується до 2,44 мкмоль/кг. Вміст Sn також незвично високий в головному мозку (16,8 мкмоль) і на порядок перевищує відповідні показники в серці та нирках; Вміст мікроелементів в крові невеликий. Багато авторів вважають їх умовно-ессенціальними або фізіологічно інертними МЕ; Закономірна реакція на добавку МЕ до складу їжі, виникнення дефіциту МЕ при усуненні його з дієти, корекція стану МЕ з субнормальним рівнем його концентрації в крові або в тканинах лабораторних тварин; Вміст мікроелементів в різних органах і тканинах ембріонів і плодів людини в пренатальному періоді вказує на біогенні елементи. У процесі онтогенезу певні органи і тканини здатні концентрувати ті чи інші мікроелементи. Більшість дослідників пояснюють це фізіологічною роллю мікроелементів і специфічною діяльністю органу у новонароджених. Найбільша кількість Cu, Ti міститься в зорових горбах і довгастому мозку. У зрілому віці Ti концентрується в корі півкуль великого мозку.
Ймовірно, що необхідні елементи (або умовно-есенціальні) також можна виявити в різних біосередовищах у відносно стабільних кількостях, однак вони не задовольняють всім перерахованим вище вимогам.
Участь цих елементів в обмінних процесах може обмежуватися окремими тканинами і в ряді випадків вимагає експериментального підтвердження. Що стосується елементів, роль яких в організмі мало вивчена або невідома, то деякі з них, мабуть, випадково накопичуються в організмі, потрапляючи з їжею і не виконуючи якою-небудь корисної функції.
Однак строго обмежувати групу біогенних елементів теж не можна, оскільки можливе відкриття біологічної ролі нових елементів. Наприклад, в останні роки встановлена біотична роль селену, з’явилися експериментальні та клінічні дані про участь у метаболічних процесах:
- Фтору; Хрому; Кремнію; Миш’яку.
Класифікація елементів за ступенем їх біогенності, як і дві попередні, містить суттєві недоліки:
- Вона має занадто загальний вигляд; Не відображає механізму впливу елементів на організм; Не дозволяє досить точно передбачити можливу біологічну роль або токсикологічний ефект того чи іншого елемента.
В даний час дослідники змушені давати індивідуальну оцінку кожному елементу.
В принципі будь-який хімічний елемент, пройшовши біогеохімічні бар’єри, набуває “біотичний вид”, тобто стає біоелементом. Наприклад, кларк Si і Al в ланцюжку “грунт – рослини – тваринні організми і людина” прогресуючи знижується, при цьому зменшується роль і значення цих двох елементів для живих (біотичних) систем.
У міру просування по харчовому (трофічному) ланцюгу у деяких елементів відбувається процес акумуляції в живих організмах, (наприклад, цинку), а інших елементів (Si, Al, Ti) у кількісному вираженні стає менше.
Основу живих систем становлять 6 елементів, так званих органогенів.
До них відносяться:
- Вуглець; Водень; Кисень; Азот; Фосфор; Сірка.
Органогени за своїм вмістом в організмі відносяться до макроелементів, складаючи 97,4% маси живого організму, і грають найважливішу роль в підтримці життєдіяльності.
Для органогенів характерне утворення водорозчинних сполук, що сприяє їх концентруванню в живих організмах. Різноманітність біомолекул в живих організмах визначається здатністю органогенів до утворення безлічі різних хімічних зв’язків.
З органогенів, або “органічних макроелементів”, в основному складаються:
- Вуглеводи; Білки; Жири; Нуклеїнові кислоти.
Головна функція макроелементів полягає в:
- Побудові тканин; Підтримці сталості осмотичного тиску; Іонному та кислотно-основному складу.
Мікроелементи, входячи до складу ферментів, гормонів, вітамінів і біологічно активних речовин в якості комплексоутворювача беруть участь в:
- Обміні речовин; Процесах розмноження; Тканинному диханні; Знешкодженні токсичних речовин.
Мікроелементи активно впливають на процеси:
- Кровотворення; Окиснення-відновлення; Проникність судин і тканин.
Мікроелементи безпосередньо беруть участь у побудові вітамінів, застосовуваних як загальнозміцнюючі і загальнотонізуючі засоби. Прикладом може служити вітамін B12 (ціанкобаламін), в структуру якого входить кобальт – 4,5%. Вміст вітамінів в рослинах відповідає змісту в них того чи іншого мікроелементу. Наприклад, вміст марганцю і вітаміну B1.
Виявлено взаємозв’язок між мікроелементами і вітамінами у ряду мікроелементів.
Мn, Cu, Zn мають здатність впливати на синтез деяких вітамінів – аскорбінову кислоту, вітамін B1. До вітамінів відносяться деякі органічні речовини різноманітної природи.
Добова потреба в них, як і в мікроелементах, вимірюється вельми малими кількостями – міліграмами і навіть мікрограмами (вітамін D – 25 мкг).
В організмі вони зазвичай беруть участь в якості необхідних компонентів ферментативних процесів шляхом входження елемента в простетичну групу ферменту.
Загальнофізіологічне значення мікроелементів пов’язане також і зі специфічною функцією залоз внутрішньої секреції. Їх діяльність пов’язана з утриманням певних мікроелементів в організмі.
Наприклад:
- Йод – з функцією щитовидної залози; Цинк – з функцією сім’яників і інсулярного апарату підшлункової залози.
Експериментально доведена можливість впливу на функцію щитовидної залози та інших мікроелементів Co, Ca. Роль ендокринних залоз різноманітна.
Так, щитовидна залоза впливає на:
- Білковий, вуглеводний і жировий обмін речовин; Зростання; Розвиток організму; Центральну нервову систему.
У свою чергу, гіпофіз з його тиреотропним гормоном впливає на функцію щитовидної залози. Мікроелемент може мати багато точок прикладання в ферментних системах і, отже, через них поширювати свій вплив на організм, в тому числі і на ендокринні залози.
В організмах постійно містяться такі радіоактивні елементи, як радій і уран.
У великих концентраціях вони пригнічують і порушують нормальне протікання фізіологічних процесів. Однак при використанні їх в надзвичайно малих концентраціях, близьких до природного вмісту в звичайних умовах природи, вони можуть стимулювати ряд біологічно важливих процесів.
Уран, наприклад, сприяє:
- Кращому проростанню насіння; Асиміляції вугільної кислоти на світлі; Засвоєнню азоту корінням рослин.
Радіоактивні речовини широко застосовуються в медицині. Тому їх можна зарахувати до біотичних елементів. Мікроелементи в організмі, в основному, виявляють активність у іонній формі і, будучи носіями електричного заряду, входять в структуру відповідних біологічно активних речовин.
За даними F. Kieffer, вміст мікроелементів, таких, як ванадій, хром, марганець, кобальт, нікель, мідь, селен, молібден, олово, йод, в тілі людини знаходиться в межах між 3 і 100 мг на 70 кг ваги. Виникає питання: чи можуть настільки незначні кількості виконувати біологічні функції?
Простіше знайти відповідь, якщо виразити вагу в молярних кількостях. Величини цих показників свідчать, що тіло людини містить щонайменше 1019 іонів кожного з цих елементів, якщо прийняти за факт, що в тілі людини знаходиться приблизно 1014 клітин (цю цифру наводять більшість підручників біології) і що кожна клітина повинна містити від 105 до 106 іонів цих елементів.
Метаболічно-активні клітини будуть утримувати навіть більшу кількість, тоді як у випадку жирів, хрящів і кісток спостерігається протилежна картина.
Таким чином, навіть найрідкісніші з елементів здатні надавати фізіологічний вплив на кожну клітину Організму.
(2 votes, average: 3.50 out of 5)