В. С. Кисличенко

Минеральные вещества в организме человека и в растениях.
Патологии и профзаболевания

Для ХХ столетия характерно развитие атомной энергетики, создание новых видов оружия, использование прогрессивных технологий во всех отраслях промышленного производства, что в значительной степени ухудшило общую экологическую обстановку на планете [41]. В этой связи нередки случаи попадания токсических веществ в организм человека. Изучение их негативного воздействия, способов выведения из организма, а также использование микродоз макро- и микроэлементов для лечения различных патологических проявлений представляет научный и практический интерес в настоящее время [5, 13].

В осуществлении всех жизненно важных функций организма минеральному обмену отводится значительная роль. Химические элементы входят в состав клеток тканей и органов, содержатся в крови. Вместе с водой они обеспечивают постоянство осмотического давления, кислотно-основного равновесия, включаются в различные реакции обмена веществ. С участием минеральных веществ происходят процессы всасывания, секреции, кроветворения, свертывания крови, выделения из организма метаболитов [6, 15]. Без них невозможны функции мышечного сокращения, нервной проводимости, внутритканевого дыхания [5, 7].

В организме различают макро- и микроэлементы. Макроэлементы (10-2% массы и больше) — это минеральные вещества, которые содержатся в значительном количестве и составляют основную часть цитоплазмы. К ним относятся: кальций, магний, калий, натрий, фосфор, сера, хлор, азот, кислород, водород, углерод. Микроэлементы (МЭ) (от 10-3–10-12 % массы и меньше) — вещества, содержащиеся в ничтожных количествах; иногда их называют ультрамикроэлементами. Это — железо, медь, цинк, марганец, бром, йод, хром, фтор, кобальт, молибден, мышьяк и др. [34, 54]. Однако такая классификация не указывает на роль и значение в организме того или иного элемента.

В настоящее время учение о МЭ растительных и животных организмов является достаточно известным, чего нельзя сказать об их эссенциальности. Этот термин широко применяется в зарубежной литературе, представляя собой производное от латинского слова «essentia», что означает «сущность» [13, 55]. В применении к МЭ указывает на их жизненную важность.

В 1869 г. J. Raulin, ученик Л. Пастера, установил эссенциальность МЭ для плесневого гриба Aspergillus niger. В 1880 г. русский ученый Лунин Н. И. доказал, что для полноценного питания, помимо белков, углеводов, жиров и минеральных солей, нужны вещества, содержащиеся в растительной пище. По свидетельству W. M. Fowler, еще в 1883 г. в Германии было впервые зарегистрировано уменьшенное содержание железа в крови больных анемией.

К началу ХХ века получены достоверные сведения об эссенциальности по меньшей мере трех МЭ. Большие заслуги в теории эссенциальности МЭ принадлежат французскому биохимику и микробиологу Y. E. Bertrand, который в 1912 г. обосновал понятие о болезнях недостаточности. Различают экзогенную (дефицит поступления в организм необходимых нутриентов) и эндогенную недостаточность, в основном связанную с нарушением всасывания веществ в желудочно-кишечном тракте, аномалиями их усвоения на уровне органов, тканей и клеток, с неполноценностью биологического транспорта и с очень многими другими факторами, среди которых большую роль в обеспечении организма эссенциальными МЭ играют энзимопатии генетической природы.

Из 110 встречающихся в природе элементов 81 обнаружен в организме человека [13, 35]. Содержание микроэлементов, хотя и колеблется в зависимости от видовой специфичности, характеризуется наличием 25 макро- и микроэлементов [54, 55], в то время различия в концентрации настолько велики, что придают черты химической неповторимости каждому виду [35].

По современным данным, не менее 15 МЭ из обнаруженных являются эссенциальными. По мнению П. Аггетта, железо, цинк, медь, кобальт, марганец, молибден, селен, хром обеспечивают оптимальное здоровье [1, 57]. Данные клинической патологии позволяют присоединить к ним фтор и никель. Недавно к новым эссенциальным элементам стали относить ванадий, кремний, олово, мышьяк. По К. Шварцу, токсичность элемента не исключает того, что при определенных условиях дозировки и экспозиции он может оказать благоприятное и даже жизненно важное действие на организм. Тем более, что ионы одних и тех же металлов, но с переменной валентностью (например, мышьяк, хром, ванадий, молибден, серебро, ртуть) характеризуются разной степенью токсичности [5]. Сравнительно недавно это было подтверждено по отношению к таким токсичным элементам, как кадмий, свинец, олово и рубидий [6, 53]. Таким образом, общее число жизненно необходимых (эссенциальных) МЭ — 19. Открытие эссенциальности многих МЭ, в частности значение их недостаточности, не уступает по своей значимости открытию витаминов.

МЭ действуют в организме путем вхождения в той или иной форме в структуру биологически активных продуктов, главным образом ферментов [24, 52]. В этом разгадка физиологической активности весьма малых их количеств. Если принять, что основа жизни — обменные процессы, то в них одну из ведущих ролей играют МЭ. Ферменты могут активизироваться путем вхождения металла в качестве компонента так называемого активного центра фермента [31, 52].

Металлы находятся в организме человека в виде простых веществ, гидратированных ионов и сложных биокомплексов, имеющих в составе еще и анионы аминокислот, нуклеиновые кислоты, протеины и другие химические соединения [31, 32]. Функции металлов и их соединений многообразны: образование различных структур (костных и мягких тканей, клеточных стенок и т. д.), участие в биохимических процессах (окислительном фосфорилировании, гидролизе), регуляция деятельности мышц, передача нервных импульсов и многое другое. Выполняя каталитическую, структурную и регуляторную функции, они взаимодействуют с ферментами, предшественниками гормонов, биологическими мембранами, участвуют во всех видах обмена веществ [24, 31, 47].

В таблице 1 показана взаимосвязь ионов металлов с металлоэнзимами [49]. Кроме того, металлы служат связующим элементом между субстратом и ферментом, способствуя контакту субстрата с активным центром фермента. Ионы металлов, повышающие активность ферментов, называют активаторами.

Металл, входящий в ферментную систему, может увеличить ее активность во много тысяч раз. Например, известно, что ионы железа способны разлагать перекись водорода на воду и кислород. При поступлении железа в структуру фермента каталазы реакции ускоряются в 10 млрд раз [47]. МЭ могут не только активизировать ферментный процесс, но и влиять на его направленность. Так, у карбооксипептидазы b-пептидазная активность под влиянием кобальта увеличивается, а эстеразная уменьшается; от кадмия, применяемого в тех же количествах (0,01 мг), наоборот, увеличивается эстеразная активность и подавляется пептидазная. Ионы-антагонисты иногда выступают в качестве активаторов одного и того же фермента. Например, кальций и магний, считающиеся антагонистами, активируют один и тот же фермент — пируватдекарбоксилазу [8, 37, 49].

Атомы металлов способны непосредственно соединяться с углеродом органических соединений, образуя при этом множество новых продуктов. При поступлении в организм они, кроме участия в ферментативных процессах, могут образовывать пока неизвестные продукты, играющие важную роль в жизнедеятельности организма. Напомним, что лечебное действие органических соединений мышьяка и сурьмы рассматривается не как прямое, убивающее возбудителя средство [30, 41].

Необходимо учитывать также возможность влияния МЭ на нервные процессы, на что указывают экспериментальные исследования В. С. Раццесса [49].

МЭ могут непосредственно участвовать в образовании витаминов, например В12, в структуру которого входит кобальт. В работе [28] отмечен параллелизм между содержанием витаминов в тех или иных частях растений и наличием в них МЭ (марганца и висмута). При изучении взаимосвязи между МЭ и витаминами у ряда МЭ выявлена способность влиять на синтез некоторых витаминов — аскорбиновой кислоты, В12 [9, 39]. Возрос интерес к селену в связи с его отношением к витамину Е, которые совместно стимулируют образование антител и тем самым увеличивают жизненные силы организма [12].

Общее физиологическое значение МЭ связано также со специфической функцией желез внутренней секреции. Деятельность последних зависит от поступления определенных МЭ. Соответствующие данные получены при изучении химического строения гормонов и необходимости отдельных МЭ для функции данной железы (например, гормоны щитовидной железы и входящий в их структуру йод, инсулин и цинк, гормоны половых желез и марганец); избирательного отношения эндокринных желез и их структур к определенного МЭ (например, к цинку семенников инсулярного аппарата поджелудочной железы); по исследованию действия МЭ на определенный вид обменных процессов (цинк — на углеводный, марганец — на белковый, углеводный, фосфорный и т. д.); на основании изучения влияния МЭ на функцию физиологической системы, связанной с железами внутренней секреции или других образований (кроветворная функция и участие в ней железа, меди, кобальта) [5, 11, 16, 22, 32, 33, 44].

Представления о лечении металлами и минералами не могут быть полными, если не вспомнить о способности многих из них при определенных условиях вызывать отравления, иногда с летальным исходом.

Некоторые металлы и их соединения могут поступать в организм человека не только с пищей, через пищеварительный канал, но и в виде пыли, через дыхательные пути. Пылевые частицы откладываются на слизистой оболочке дыхательных путей и раздражают ее (это относится к нетоксической пыли, не являющейся ядовитой для организма). При вдыхании же токсической пыли возникают изменения в органах дыхания, особенно в легких, если токсический фактор не устранен продолжительное время (месяцы, годы). Токсическая пыль обладает химической активностью, так как содержит простые и сложные химические вещества, которые при поступлении в организм нарушают нормальные биохимические процессы.

Запыленность воздуха частицами металлов и минералов наблюдается при промышленном получении, переработке и добыче руд. При длительной работе на предприятиях с низким уровнем защиты технологических процессов, нарушением санитарно-гигиенических норм возможно развитие профессиональных заболеваний. К числу вредных металлов относятся: кадмий, ванадий, алюминий, кобальт, вольфрам, никель, молибден, олово, цинк, медь и др. [32, 41, 43]

В таблице 2 представлены данные о токсических действиях металлов и минералов, вызванных превышением предельно допустимых концентраций, а также приводится их суточная потребность.

Нарушения содержания МЭ вполне определенно проявляются в патологии. Установлено влияние недостаточности МЭ на жизнеспособность потомства. P. Aggett и S. Rose [40,57] показали, что дефицит МЭ у матери способен вызвать аномалии развития различных органов и тканей, а также преждевременную гибель эмбриона и плода. Ткани зародыша на определенном этапе развития особенно чувствительны к нарушениям МЭ гомеостаза [5, 40]. Особенно интенсивное накопление МЭ идет в первые три месяца развития зародыша [37, 46, 53].

Исследования последних лет показали, что длительная недостаточность некоторых МЭ может приводить к предраковому состоянию, а также к резкому увеличению числа случаев рака определенных органов в микроэлемент-дефицитных регионах некоторых стран [50, 51].

Литература

1. Бабенко Г. А., Решеткина Л. П. Применение микроэлементов в медицине.— К.: Здоров’я, 1971.— 220 с.
2. Гаммерман А. Ф., Кадаев Г. Н., Яценко-Хмелевский А. А. Лекарственные растения.— М.: Высш. шк., 1983.— 400 с.
3. Кретович В. Л. Основы биохимии растений.— М.: Высш. шк., 1980.— 445 с.
4. Машковский М. Д. Лекарственные средства.— М.: Медицина, 1988.— Т. 1.— 624 с.— Т. 2.— 575 с.
5. Ноздрюхина Л. Р., Гринкевич Н. И. Нарушение микроэлементного обмена и пути его коррекции.— М.: Наука, 1980.— 280 с.
6. Ginter E., Chorvatovicova D. Metabolism, physiological role and toxicity of chromium//Ceskosl. physiol.— 1987.— Vol. 36.—№ 6.— P. 551–559.
7. Faelten S. Mineral for health.— Emmaus: Rodale press, 1981.— 534 p.
8. Pikard H. Utilisation terapeutique des oligoelements.— P.: Libr. Malaine, 1965.— 176 p.
9. Roman J., Kutsky Ph. D. Handbook of vitamins, minerals and hormones.— N. Y. etc.: Van Nostrand: Reinhold, 1981.— 492 p.
10. Rosenfeld I., Beath O. A. Selenium: Geobotany, biochemistry, toxicity and nutrition.— N. Y., L.: Acad. press., 1964.— 411 p.

Полный список литературы имеется в редакции