Доклад на тему металлы в организме человека

Обновлено: 07.05.2024

Биологическая роль металлов и их комплексов в организме человека. Описание свойств их комплексных соединений с порфиринами и порфириноподобными веществами. Функционирование железопорфиринов в ферментных системах цитохромов. Гемоглобин и его производные.

Рубрика	Биология и естествознание
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	04.12.2014
Размер файла	12,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Металлы в живых организмах

Основная масса биологически активных металлов расположена в средней части первого большого периода таблицы Менделеева и относится к так называемым переходным элементам. Исключение составляют четыре металла (натрий, калий, магний, кальций), которые содержатся в организмах в довольно больших количествах. Обычно к переходным относят те элементы, у которых в нейтральных свободных атомах d- и f-атомные орбитали заполнены электронами. Переходные металлы содержатся в организмах в очень малых количествах, и уже из этого можно сделать осторожный вывод, что их значение (доказанное прямым опытом) должно быть связано с катализом. Ведь именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества, действуя в малых концентрациях.

Переходные металлы могут еще выполнять (вместе с органическими соединениями) и другую функцию - переносить с места на место группу атомов или целые молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать их и т.п.

Понятие «жизненно важный» включает только те катионы металлов, которые присутствуют во всех здоровых тканях человека и диапазон концентраций которых практически постоянен в каждой из тканей; исключение таких катионов из организма приводит к физиологическим аномалиям.

Комплексы металлов с порфиринами и порфириноподобными веществами.

Для живых организмов очень важны комплексные соединения металлов, в которых четыре координационных места занимает одна частица, называемая порфином, содержащим четыре пирролоподобных цикла, соединенных =CH-группами.

Производными порфина являются порфирины. К ним в настоящее время относятся представители многочисленного класса циклических ароматических соединений, содержащих многоконтурную сопряженную систему, в основе которой лежит шестнадцатичленный макроцикл, включающий от 4 до 8 атомов азота. В организмах встречаются комплексы, в которых некоторые атомы водорода в порфине замещены на метильные и винильные остатки пропионовой кислоты (протопорфины). Известны 15 возможных изомерных структур. Однако основной каркас этой сложной молекулы сохраняется во многих важнейших веществах: гемоглобине, цитохромах, витамине В₁₂. Ион металла замещает атомы водорода двух пиррольных колец и одновременно связывается координационными связями с третичными атомами азота двух других пиррольных колец. Благодаря эффекту резонанса связи металла с четырьмя атомами азота пиррольных колец, которые лежат в одной плоскости, рассматриваются как одинаковые.

Важнейшим свойством порфиринов является наличие в молекуле координационной полости, ограниченной атомами азота, N₄ , имеющей радиус около 2 Б и способной координировать ионы металлов М 2+ , М 3+ , М 4+ и даже с большей степенью окисления. В результате комплексообразования образуются комплексные соединения порфиринов, так называемые металлопорфирины, обладающие многообразными структурными и химическими особенностями, высокой биологической и каталитической активностью. При этом металл либо занимает центр полости N₄ и оказывается в экваториальной плоскости xy, образуя плоский координационный узел из атомов MN₄ , либо оказывается приподнятым над плоскостью, в которой лежат атомы N₄ , и образует координационные узлы различной геометрической структуры - от тетрагональной пирамиды (L)MN₄ и октаэдра (L1)(L2)MN₄ до более сложных геометрических фигур.

Выход центрального атома из плоскости происходит, как правило, при донорно-акцепторном взаимодействии с молекулой L. Если металл M способен присоединить вторую молекулу L той же природы с противоположной стороны плоскости xy, то он возвращается в центр полости N₄ . Лиганды (L), способные вступать в координационную сферу металла, уже занятую четырьмя атомами азота порфирина, называются аксиальными.

Возможности молекул металлопорфиринов выступать в биологических процессах в качестве биокатализаторов (ферментов) значительно расширяются в связи с необычайным строением порфиринов и их комплексов, своеобразием их свойств и чрезвычайно большим структурным многообразием. Структурное многообразие связано с многочисленными путями химической модификации молекул порфина за счет замещения атомов водорода.

Известно большое число биологических систем, в структуре которых металлопорфирины выполняют функции инициатора того или иного биологического процесса. Наибольшее число исследований посвящено гемоглобину, гему крови, и процессам обратимой фиксации атмосферного кислорода на биологических и модельных системах. Большой практический интерес представляет функционирование металлопорфиринов (железопорфиринов) в ферментных системах цитохромов. Кратко рассмотрим эти явления.

Потребление атмосферного кислорода живыми организмами -- важнейший биохимический процесс. Кислород транспортируется гемоглобином эритроцитов от легких к мышцам и удерживается в мышцах миоглобином. Как гемоглобин, так и миоглобин представляют собой комплексы железа, в которых группа ферропротопорфирина (гема) содержит Fe(II).

Пятое координационное место занимает азот имидазола (Im) гистидинового остатка, через который осуществляется единственная связь группы гема с полипептидной цепью белка. В настоящее время известны аминокислотный состав и последовательность аминокислот в гемоглобинах, выделенных из разных животных, места присоединения частиц гема, пространственная структура гемоглобина (работы Перутца и др.). Гем локализован в расщелине между спиралями белка. Одна молекула гемоглобина, состоящая из четырех белковых субъединиц («глобул»), содержит четыре гема и, следовательно, четыре атома железа. Поскольку кислород в гемоглобине непосредственно фиксируется железом, то такая молекула может, постепенно насыщаясь, присоединить четыре молекулы кислорода. В молекуле миоглобина полипептидная цепь координирована железом гем-группы так же как в гемоглобине. Однако в отличие от гемоглобина молекула миоглобина состоит из одной белковой субъединицы и содержит одну гемовую единицу. Структуры окси- и дезоксиформ различны, и это различие не только в том, что одна из них содержит молекулы кислорода, а другая нет.

При отсутствии кислорода атом Fe(II) в гемоглобине имеет координационное число 5, связан донорно-акцепторной связью с четырьмя координирующими атомами азота протопорфирина и одной менее прочной связью с третичным атомом азота проксимального имидазольного фрагмента гистидина. Координационный узел Fe(N)₄NIm представляет собой квадратную пирамиду с атомом железа, удаленным от основания пирамиды на 0,8 Б. Шестое координационное место не в состоянии занять ни один имеющийся поблизости лиганд (в том числе и Н2О), кроме молекулярного кислорода. Молекула О₂ вызывает оксигенирование гемоглобина, а точнее, иона Fe(II). При этом комплекс Fe(N)₄NIm из высокоспинового пирамидального состояния переходит в низкоспиновое октаэдрическое искаженное состояние с координационным узлом Fe(N)₄NIm(O₂).

Под влиянием кристаллического поля N-донорных атомов порфирина, а также аксиальных лигандов (Im и O₂) -конфигурация Fe(II) превращается в [4]. На вакантные еg-орбитали переходят сигма-электронные пары имидазола и кислорода. Считают, что молекула О2 связывается в шестом координационном месте с Fe(II) также за счет дативной p-связи. Координированный ион железа поставляет пару электронов, находящуюся на его dyz (или dzx-)-орбитали, на вакантную (разрыхляющую) pz-орбиталь молекулы О2 . Образованию p-связи Fe(II) O₂ благоприятствует высокая электронодонорная способность порфириновой p-системы и проксимального имидазола. Атом железа после оксигенации входит в координационную полость порфирина N₄ и располагается центросимметрично. Структура белка в гемоглобине такова, что она экранирует подход к атому Fe(II) всех других молекул, имеющихся в крови, и своевременно регулирует его донорно-акцепторные свойства. Исключение составляют токсиканты -- яды крови, к которым относятся монооксид углерода, оксиды азота, метиленовый синий. Проникая с атмосферным воздухом в легкие, монооксид углерода быстро преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окси-, так и с дезоксигемоглобином:

где Hb -- гемоглобин.

Образующийся комплекс карбоксигемоглобин (HbCO) не способен присоединять к себе кислород. В молекуле гемоглобина CO координируется атомом Fe(II), вытесняя O₂ . Одна молекула гемоглобина (точнее, четыре ее гема) может присоединить до четырех молекул CO.

Важным производным гемоглобина является метгемоглобин, в молекуле которого атом железа находится в степени окисления 3+. Метгемоглобин не связывает молекулярный кислород. Он образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, метиленового синего, хлоратов). Образование метгемоглобина в крови уменьшает в ней количество функционально важного оксигемоглобина и нарушает доставку кислорода к тканям. Комплексы железа с порфиринами участвуют не только в транспорте кислорода, но и выполняют множество других функций. Среди них процесс переноса электронов.

Железопорфирины разных типов, соединяясь с белками, дают начало группе хромопротеидов, объединенных под общим названием цитохромы («цитохром» значит «клеточная окраска»). Важным этапом обмена вещества (метаболизма) является отщепление от пищевых веществ водорода. Атомы водорода при этом переходят в ионное состояние, а освободившиеся электроны поступают в дыхательную цепь. В этой цепи, переходя от одного соединения к другому, они отдают свою энергию на образование богатых энергией молекул аденозинтрифосфорной кислоты, а сами присоединяются к молекуле кислорода. Получившийся ион кислорода O₂ -- образует с ионами водорода H + молекулы воды. Перенос электрона осуществляют железопорфириновые комплексы, очень похожие на те, которые входят в состав гемоглобина и миоглобина. Перенос электрона осуществляется за счет изменения степени окисления железа.

Fe3 + + e = Fe2 +, Fe2 + -- e = = Fe3 +

создают возможность перебрасывать электроны от одного цитохрома к другому.

Цитохромы обычно делят на три класса: a, b и c. Лучше других изучен цитохром c, так как только его можно легко выделить из клеток водными солевыми растворами. В этом соединении порфириновое кольцо, содержащее железо (II) в центре, связано с белком за счет ковалентных связей атомов кольца с остатком цистеина в молекуле белка. С кислородом цитохром c не реагирует, так как у него шестое координационное место занято аминокислотным остатком метионина. В цепи переноса электронов цитохром c передает электроны цитохромам a и a3 . Из всех цитохромов только они окисляются молекулярным кислородом. Эта система завершает цепь цитохромов и носит название цитохромоксидазы, которая представляет собой сложный белковый комплекс, содержащий два атома меди и две молекулы уникального гема А.

Молекула цитохромоксидазы должна обладать внутренней симметрией, имея реакционный центр, к которому ферроцитохром может доставлять электроны и к которому может присоединяться O2 [5]. Этот центр включает как гемы, так и атомы меди. Итак, перенос электронов осуществляется при помощи ряда соединений (цитохромов), в которых железо связано в комплекс с порфириновым циклом.

Это первое подробно изученное комплексное соединение, входящее в состав живых организмов (Р. Уильямс, Оксфорд), которое содержится в крови человека в концентрации 2,5 » 10- 4 мкг/мл. Недостаточное содержание кобальта в организме обусловливает развитие анемии. В 1926 году было установлено, что сырая печень является средством борьбы с подобной патологией. Позднее, в 1948 году, было выделено комплексное соединение кобальта красного цвета, которое оказалось действующим началом противоанемических препаратов. Его назвали кобаламин.

Центральной структурой является порфириноподобная корриновая кольцевая система, в которой пара пиррольных колец связана между собой непосредственно, а не через группу =CH-, как остальные пары колец и вообще пиррольные кольца в порфиринах. Кобальт (II) находится в положении, которое в геме занимает железо (II). Считают, что характерное для различных кобаламинов строение обусловливает и их своеобразные каталитические свойства. Выявлено большое число производных витамина В12, у которых CN-группа замещена другим фрагментом. Среди аналогов В12 наибольший интерес представляет метилкобаламин -- метаболически активное соединение. У большинства организмов витамин В12 (до 90% общего содержания) находится в виде кофермента, то есть участвует в ферментативных реакциях. В природном коферменте вместо CN-группы содержится остаток дезоксиаденозина.

Витамин В12 необходим для образования эритроцитов. Кроме того, он осуществляет перенос метильных групп на важных стадиях обмена веществ. Процессы трансметилирования интересны тем, что в одном из образующихся промежуточных продуктов имеется связь между кобальтом и атомом углерода переносимой группы, например -CH₃. Подобные соединения синтезированы и хорошо известны, но в природе, как правило, не встречаются. Кобаламиновые комплексы представляют практически единственный пример такого рода.

Металлопорфирины являются макроциклическими комплексами, и это накладывает отпечаток на их строение и свойства. Однако они отличаются от бесчисленного множества других групп макроциклических комплексов тем, что являются ароматическими макроциклами с уникальной сопряженной p-системой. Ароматичность порфиринов определяет их электронодонорные свойства, то есть способность к снижению локальных положительных и отрицательных зарядов путем их распределения по ароматическим орбиталям. Вследствие этого стабилизируются катион- и анионрадикальные формы, а также различные степени окисления металлов, возникающие в процессе функционирования биологически активных соединений на основе металлопорфиринов.

порфирин цитохром гемоглобин

Список используемой литературы

1. Уильямс Д. Металлы жизни. М.: Мир, 1975. 237 с.

2. Березин Б.Д., Ениколопян Н.С. Металлопорфирины. М.: Наука, 1988. 160 с.

3. Василенко Ю.К. Биологическая химия. М.: Высш. шк., 1978. 381 с.

4. Хартли Ф., Бергес К., Олкок Р. Равновесия в растворах. М.: Мир, 1983. 360с.

5. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии. М.: Мир, 1981. Т. 1. 534 с.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Щелочные металлы находятся в первой группе главной подгруппе Д.И. Менделеева. Эти металлы и их соединения играют важную роль в организме человека.

Натрий широко распространен во всех органах, тканях и биологических жидкостях организма человека. Достаточная концентрация натрия содержится в желудочном соке. Большая же часть натрия находится во внеклеточных жидкостях - около 50%, в костях и хрящах - около 40% и до 10% - внутри клеток. В процессе внутриклеточного и межклеточного обмена натрий играет важную роль. Вместе с калием он участвует в возникновении нервного импульса, занимает важное место в механизме кратковременной памяти, оказывает воздействие на состояние мышечной и сердечно - сосудистой систем; ионы натрия и хлора также играют важную роль в секреции соляной кислоты в желудке. Взаимодействие ионов натрия и калия выполняет два важных взаимосвязанных процесса: во-первых, поддерживает постоянное осмотическое давление, а во-вторых, поддерживает постоянный объем жидкости. Потребление натрия в большом количестве ведет к потере калия. Именно для этого важно сбалансированное поступление в организм, как калия, так и натрия. Суточная потребность человека перекрывается потреблением поваренной соли, которая является главным источником натрия. В сутки человек употребляет около 10-12 г поваренной соли, в том числе в хлебе и натуральных пищевых продуктах. Роль поваренной соли в организме неоднозначна. Многие ученые высказывают мнение, что количество потребляемой соли в сутки должно быть значительно меньше и ограничиваться содержанием ее в продуктах питания. Считается, что употребление поваренной соли в больших количествах является одним из основных факторов развития гипертонической болезни и отложения солей в организме, что пагубно сказывается на работе суставов и их подвижности, а также двигательного аппарата в целом. В то же время установлено, что потребность в натрии увеличивается пропорционально его потере с потом и мочой. При значительных физических нагрузках, особенно в жаркое время года или во время работы в горячих цехах, потребность в поваренной соли увеличивается до 20 г в сутки. Необходимо восполнять запас необходимых солей. В противном же случае недостаток солей этих щелочных элементов может привести к необратимым последствиям: вплоть до обезвоживания организма. Важная роль натрия в организме – регулирование водно-солевого баланса. Поэтому в жаркое время рекомендуется пить минеральную воду, для восполнения дефицита утраченных элементов.

Главными источниками калия являются картофель, хлеб, крупы, абрикосы, бананы и другие продукты. Суточная норма потребления калия для взрослого человека 2-3 г, для ребенка - 16-30 мг на кг массы тела. Необходимый минимум потребления калия для человека в сутки составляет около 1 г. При нормальном пищевом рационе суточная потребность в калии полностью удовлетворяется, но отмечаются также колебания в потреблении калия в зависимости от сезона. Для нормального обмена веществ в пищевом рационе необходимо соотношение между калием и натрием - 1:2. В настоящее время из-за употребления людьми с пищей большого количества поваренной соли, также возрастает и потребность в калии, который может нейтрализовать неблагоприятное влияние избытка количества натрия на организм. Недостаток калия в рационе может привести к дистрофии, даже несмотря на нормальное содержание белков в пище. Нарушение обмена калия проявляется при хронических заболеваниях почек и сердечно-сосудистой системы, при рвоте и диарее, а также других заболеваниях.

Цезий и рубидий малоизучены. Эти элементы находятся в окружающей среде и поступают в организм в основном с пищей. Установлено их постоянное наличие в организме. Однако до сих пор эти элементы не считаются биотическими. Рубидий и цезий найдены во всех исследованных органах млекопитающих и человека. Поступая в организм с пищей, они быстро всасываются из желудочно-кишечного тракта в кровь. Средний уровень рубидия в крови составляет 2,3-2,7 мг/л, причем его концентрация в эритроцитах почти в три раза выше, чем в плазме. Рубидий и цезий равномерно распределяются в органах и тканях, причем, рубидий, в основном, накапливается в мышцах, а цезий поступает в кишечник и реабсорбируется в нисходящих петлях его отдела. В лаборатории И. П. Павлова Боткин установил: хлориды цезия и рубидия вызывают повышение артериального давления на длительное время, и, что это действие связано, главным образом, с усилением сердечнососудистой деятельности и сужением периферических сосудов. Это открытие стали применять в фармацевтике.

Установлено адреноблокирующее и симпатомиметическое воздействие солей цезия и рубидия на центральные и периферические адренореактивные структуры, которое особенно ярко выражено при подавлении тонуса симпатического отдела центральной нервной системы и дефиците катехоламинов. Солям этих металлов свойственен, главным образом, бетта-адреностимулирующий эффект.

Соли рубидия и цезия воздействуют также на неспецифические показатели иммунобиологической резистентности - они вызывают значительное увеличение титра комплемента, активности лизоцима, фагоцитарной активности лейкоцитов. Есть указание на стимулирующее влияние солей рубидия и цезия на функции кроветворных органов. В микродозах они вызывают стимуляцию эритро- и лейкопоэза (на 20-25%), кроме того, заметно повышают резистентность эритроцитов, увеличивают содержание в них гемоглобина.

Франций является радиоактивным элементом. Его соли использовались для обнаружения раковых опухолей, но по причине чрезвычайно высокой стоимости эту соль в масштабных разработках использовать невыгодно.

Список литературы:

4. Химия. Учебное пособие /А.Н. Шипуля, Ю.А. Безгина, Е.В. Волосова, Н.Н. Францева, Е.В. Пашкова // - Ставрополь, -2015.

6. Эффективные технологии в учебном процессе / Е.В. Волосова, Ю.А. Безгина, Е.В. Пашкова, А.Н. Шипуля// в сборнике: Применение современных ресурсосберегающих инновационных технологий в АПК 2016. С. 74-75.

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА СОСТОЯНИЕ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение. Тяжелые металлы на сегодняшний день представляют собой группу опасных загрязнителей, которым уделяется пристальное внимание, так как все химические соединения или элементы, которые выбрасываются в атмосферу в первую очередь в результате деятельности человека, являются загрязнителями воздуха. Тяжелые металлы, накапливаясь в организме человека даже в небольших дозах, оказывают негативное влияние на многие органы.

Плотность тяжелых металлов по классификации Н. Реймерса, 1992 г составляет более 5 г/ . Атомная масса более 40 единиц. К тяжелым металлам относят Pb , Cu , Zn , Ni , Cd , Co , Sb , Sn , Bi , Hg [1]. Для человека представляют опасность более 10 тяжелых металлов из-за того, что они токсичны и имеют широкий диапазон распространения. Самые токсичные металлы – ртуть, свинец, кадмий [2].

Тяжелые металлы являются естественными компонентами земной коры. Они не могут быть деградированы или уничтожены. В небольшой степени они проникают в наш организм через продукты питания, питьевую воду и воздух. Также тяжелые металлы поступают в организм через легкие и кожу. Некоторые тяжёлые металлы, например медь, селен, цинк необходимы для поддержания метаболизма человеческого тела. Однако при более высоких концентрациях они могут привести к отравлению [3].

Тяжелые металлы опасны тем, что могут накапливаться в растениях и тем самым являются компонентом пищевых цепей (растения являются продуцентами), через которые могут поступать в организм человека. Пример биологической цепи: почва (вода) – растение – животное – продукция – человек (рисунок 1) [1].

Рисунок 1 – Пути поступления тяжелых металлов в организм человека

Состояние здоровья человека напрямую зависит от окружающей среды, что доказывает актуальность решения проблем её загрязнения. Здоровье людей, которые живут в неблагоприятной среде (возле промышленных предприятий, у автотранспортных магистралей и др.) непосредственно находится под угрозой. Выбросы различных химических веществ приводят к нарушению физиологии и к ряду заболеваний, а самое опасное – к онкологиям. Накопление тяжелых металлов приводит к развитию злокачественных заболеваний, к появлению мутаций и рождению детей с нарушением развития. Больше всего от тяжелых металлов страдают дети, так как накопление токсичных свойств происходит еще на эмбриональном этапе онтогенеза. Нередко случаются летальные исходы [4].

Токсичные металлы, такие как мышьяк, кадмий, свинец и ртуть, находятся повсюду, они не оказывают положительного влияния на основные физиологические функции организма человека, напротив приводят к неинфекционным хроническим заболеваниям, что сокращает продолжительность жизни. Свойство тяжелых металлов оседать на стенках способствует засорению почечных каналов и каналов печени, что ослабляет фильтрацию и приводит к накоплению токсинов в организме.

Свинец – один из серьезно опасных токсичных загрязнителей, оказывающий влияние на нервную систему, кровь и почки. Нередко повышенная концентрация свинца приводит к развитию анемии. В результате накапливания свинца в организме происходит снижение умственных и трудовых способностей, расстройство поведения, отставание в развитии. Опасное влияние данный металл оказывает на ребенка, вызывая его умственную отсталость.

Большая концентрация кадмия оказывает влияние на легкие, кости, почки, нарушается метаболизм химических элементов, что приводит к их дефициту (железо, кальций, цинк, медь). Кадмий также ингибирует синтез белков, ДНК (что приводит к различным формам анемии), снижает ферментативная активность [5,6,7].

Ртуть, циркулируя по кровяному руслу, попадает в печень, почки и мозг, что способствует разрушению нервной оболочки, и приводит к блокированию функции проводимости нервных импульсов. Серьезное нарушение органов ЦНС приводит к потере слуха, зрения, обоняния, общему и церебральному параличу, деформации конечностей и смерти. Данный металл с трудом выводится из организма [7].

С помощью лабораторных исследований крови и мочи можно провести диагностику и выявить отравление ртутью, свинцом или кадмием, а также другими металлами. Людям, которые проживают на территориях подверженных техногенному загрязнению, особенно важно обратить внимание на проблему накопления тяжелых металлов.

Заключение. Чтобы снизить риск заболеваний человека, а особенно детей, необходимо уделять внимание экологическим проблемам накопления токсических веществ, а именно тяжелых металлов, в биосфере.

1. Теплая Г. А. Тяжелые металлы как фактор загрязнения окружающей среды (обзор литературы). Журнал: Астраханский вестник экологического образования, 2013 г., с. 182-192 (дата обращения 07.05.2020)

4. Чикенева И.В. Последствия влияния тяжелых металлов на окружающую среду в зоне воздействия промышленных предприятий. Журнал: Научно-методический электронный журнал концепт, номер 12, 2013 г., с. 66-70 (дата обращения 07.05.2020)

5. Савченко О.В. Влияние загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами на здоровье детей дошкольного возраста. Журнал: Экология человека, номер 3, 2018 г., с. 16-20 (дата обращения 11.03.2021)

6. Вишневецкий В.Ю., Ледяева В.С. Экологическое прогнозирование загрязнения водных сред тяжелыми металлами. Журнал: Инженерный вестник дона, номер 4-2 (32), 2014 г., с.15 (дата обращения 11.03.2021)

7. Гулиева С. В., Керимова Р. Дж., Юсифова М. Ю. Влияние тяжелых металлов на биохимические процессы в организме человека. Журнал: Academy, номер 12 (39), 2018 г., с. 77-81 (дата обращения 12.03.2021)

О 10 важных металлах в организме человека

Металлы способны повлиять на биохимические цепи и реакции организма, их дефицит отразится на жизнедеятельности человека. Дефицит любого элемента способен нарушить целостность уникальной системы организма.

Металлы попадают в наш организм через несколько основных каналов:

продукты питания;
воду;
воздух;
прием лекарственных препаратов и БАД;
использование косметических средств;
введение вакцин.

Рассмотрим подробнее 10 важных элементов, которые необходимы человеку:

Кальций

Только представьте, 1 кг вашего веса забирает данный металл. Этот элемент является составляющим каждой клетки. Основная локализация - кости, но он участвует не только в формировании скелета. Кальций отвечает за систему гемостаза и регуляцию гормонов. Важной особенностью кальция является тот факт, что кальций не синтезируется в организме самостоятельно, этот элемент необходимо постоянно восполнять.

Калий

Содержится в клетках, регулирует водный баланс в организме и нормализует ритм сердца. Калий влияет на работу многих клеток в организме, особенно нервных и мышечных. Биологическая роль калия в организме человека велика. Калий способствует ясности ума, улучшает снабжение мозга кислородом, помогает избавляться от шлаков, действует как иммуномодулятор, способствует снижению давления крови и помогает при лечении аллергических реакций. Так же, чем выше физические нагрузки - тем выше потеря калия.

Натрий

В тандеме с калием отвечает за движение жидкости. Калий содержится внутри клетки, натрий - снаружи. Пара калий/натрий отвечает за повышение или снижение артериального давления. Утренние отеки на лице говорят о скоплении натрия, вечерние - накоплении калия.

Магний

Колоссально важный макроэлемент. Магний играет важнейшую роль в организме человека, однако всего 50 грамм, которые содержатся в сердечной мышце, головном мозге и костях, к сожалению, не способны восполнить постоянный расход при стрессах, физических нагрузках, во время беременности и в период активного роста.

Железо

Принимает участие во многих процессах нашего организма. Самый важный из них- передача кислорода в ткани и мышцы. Так же является частью ферментов и белков, которые необходимы для процессов обмена в организме, например, превращение калорий в энергию.

1,5-2 грамма металла локализованы в предстательной железе и мышечной ткани. Минерал участвует в реакциях иммунного ответа, способен сократить продолжительность вирусного заболевания. Важная функция цинка - улучшение фертильности.

Участвует в синтезе эритроцитов, а значит неразрывно связана с железом. Дефицит меди неизбежно приведёт к дефициту железа и кальция. Также, этот металл необходим при синтезе коллагеновый волокон и меланина.

Марганец

Почти невесомый элемент, но является частью вестибулярного анализатора, влияя на уровень нейромедиаторов. Нехватка марганца способна привести к развитию диабета.

Молибден

Кофактор обменных процессов, он ускоряет ферментативные реакции организма и снижает риск развития заболеваний.

Кобальт

Этот металл является частью структуры витамина В12 и помогает исправно работать поджелудочной железе.

Нынешняя экологическая ситуация, стрессы, темп жизни и недоброкачественные продукты питания неизбежно приводят к потери столь драгоценного строительного материала, как металлы. Пусть микроэлементов в процентном соотношении немного, но их важность очень велика.

Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека

библиографическое описание:
Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека / Зинина О.Т. // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. — Хабаровск, 2001. — №4. — С. 99-105.

код для вставки на форум:

Одними из наиболее вредных для биосферы Земли загрязнений, имеющих самые разнообразные вредные последствия, как для здоровья людей, так и для жизнедеятельности живых организмов, являются загрязнения тяжелым и металлами. Наряду с пестицидами, диоксинами, нефтепродуктами, фенолами, фосфатами и нитратами тяжелые металлы ставят под угрозу саму существование цивилизации. Увеличивающийся масштаб загрязнений окружающей среды оборачивается ростом генетических мутаций, раковых, сердечно-сосудистых и профессиональных заболеваний, отравлений, дерматозов, снижением иммунитета и связанных с этим болезней. В подавляющем большинстве случаев первоисточником загрязнений является экологически безграмотная деятельность человека. Среди опасных для здоровья веществ тяжелые металлы и их соединения занимают особое место, та к как являются постоянными спутниками в жизни человека.

Очень часто многоэлементный анализ используют в медицине при выяснении причин острых и хронических отравлений, а так же при лечении профессиональных болезней, связанных с хроническим воздействием тяжелых металлов на организм в условиях реального производства и экологических особенностей.

В химико-токсикологическом анализе применяется метод минерализации при исследовании биологического материала (органов трупов, биологических жидкостей, растений, пищевых продуктов и др.) на наличие та к называемых «металлических ядов». Эти яды в виде солей, оксидов и других соединений в большинстве случаев поступают в организм через пищевой канал, в соответствующих отделах которого они всасываются в кровь и вызывают отравления.

Важнейшим и «металлическими ядами » являются соединения бария, висмута, кадмия, марганца, меди, ртути, свинца, серебра, таллия, хрома, цинка и соединения некоторых неметаллов (мышьяка, сурьмы). Ряд перечисленных выше химических элементов, соединения которых являются токсичными. В небольших количествах содержатся в тканях организма как нормальная их составная часть, В виду незначительных количеств этих химических элементов. Содержащихся в организме, их называют микроэлементами.

Установлены предельно-допустимые концентрации микроэлементов в организме.

Каждый элемент имеет присущий ему диапазон безопасной экспозиции, который поддерживает оптимальные тканевые концентрации и функции;
У каждого элемента имеется свой токсический диапазон, когда безопасная степень его экспозиции превышена [Mertz, 1982].

Правила Мертца особенно важны для токсикологической химии. Металлы с малыми значениями диапазона концентраций условно отнесены в разные группы по «степени опасности» (чем меньше диапазон, тем «опаснее»):

As, Be, Cd, Hg, Pb, Tl, Zn;
B, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Sb, Sc;
Ba, Mn, Sr, V, W.

Общепризнанно, что наиболее опасными элементами для человека, да и вообще для теплокровных животных, являются кадмий, ртуть и свинец (Cd, Hg, Pb).

Кадмий вызывает отравление, описанное в Японии как болезнь «итаи-итаи» (ох-ох). Название болезни происходит от боли в спине и ногах, сопровождающей остеомаляцию (декальцификацию) костей, что приводит к ломкости костей. Хроническое отравление кадмием разрушает печень и почки, приводя к сильнейшему нарушению функции почек. Избыток кадмия нарушает метаболизм металлов, особенно железа и кальция, нарушает действие цинковых и иных металло-ферментов, блокирует сульфгидрильные группы ферментов, нарушает синтез ДНК. Кадмий легко замещает металлфлавопротеиновых комплексах, где главенствующую роль играют железо и молибден, нарушая двухстадийный процесс окисления.

Ртуть токсична в любой своей форме. Ртуть в природных условиях довольно быстро превращается в летучее токсическое соединение — хлорид метилртути. В организме ионы метилртути быстро попадают в эритроциты, печень и почки, оседают в мозге, вызывая серьезные необратимые кумулятивные нарушения ЦНС. Это приводит, к конце концов, к общему и церебральному параличу, деформации конечностей, особенно пальцев, затрудненному глотанию, конвульсиям и смерти. Ртуть блокирует активность ряда важнейших ферментов, в частности карбоангидразы, карбоксипептидазы, щелочной фосфатазы. Легко замещает кобальт в корриноидах, извращая метаболические реакции, связанные с витамином В12. Повреждение механизма биосинтеза ДНК из-за недостаточности витамина В12 является причиной мегалобластических анемий и наиболее распространенной формы - пернициозной анемии, что приводит к дегенеративным изменениям нервной системы.

Свинец известен как токсическое вещество почти 5 тысяч лет среди греческих и арабских ученых. В современных условиях наибольшим источником загрязнения свинцом среды обитания считаются выхлопы бензиновых двигателей автомашин, поскольку в бензин добавляется тетраэтилсвинец для повышения октанового числа. Свинец препятствует одной из ступеней биосинтеза гема, считается сильнейшим нейротоксином, вызывает повышенную агрессивность. Хроническое отравление свинцом постепенно приводит к нарушениям функций почек, нервной системы, анемии. Токсичность свинца увеличивается при недостатке в организме кальция и железа. Свинец блокирует SH-группы белков, образуя комплексы с фосфатными группами рибозы у нуклеотидов, особенно у цитидина, и тем самым быстро разрушает РНК, ингибирует ферменты, в частности карбоксипептидазу.

Мышьяк относится к числу наиболее сильных и опасных ядов. В присутствии кислорода быстро образует очень ядовитый мышьяковистый ангидрид. При пероральном отравлении высокая концентрация мышьяка наблюдается в желудке, кишечнике, печени, почках и поджелудочной железе, при хроническом отравлении постепенно накапливается в коже, волосах и ногтях. Из-за ингибирования различных ферментов нарушает метаболизм. В процессе отравления первыми страдают аксоны, что приводит к периферической нейропатии и параличу конечностей. Мышьяк считается канцерогенным для человека.

Таллий очень токсичен, зачастую его называют «химическим СПИДом». Таллий, проникая через клеточные мембраны, образует сильные комплексы, например, нерастворимый комплекс с рибофлавином. Это приводит к нарушению метаболизма серы и разрушению иммунной системы. Отравление таллием приводит к гастроэнтеритам, периферической нефропатии, при большой абсорбции к смерти. Через 2-3 недели после небольшого отравления у человека выпадают волосы.

Цинк в виде двухвалентного элемента входит в состав свыше 20 ферментов, включая участвующие в обмене НК. Большая часть цинка в теле человека находится в мышцах, а самая высокая концентрация — в простате. В крови он присутствует в эритроцитах как кофактор в карбоангидразе. Избыток цинка может разбалансировать метаболические равновесия других металлов. Разбалансировка отношения цинк/медь является главным причинным фактором в развитии ишемической болезни сердца. Избыточное потребление солей цинка может приводить к острым кишечным отравлениям с тошнотой. В общем, цинк не очень опасен, а возможность отравления, вероятнее всего зависит от совместного присутствия токсичного кадмия.

Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав цитохромоксидазы, тироназы и других белков. Их биологическая роль связана с процессами гидроксилирования, переноса кислорода, электронов и окислительного катализа. В тканях здорового организма концентрация меди в течение всей жизн и поддерживается строго постоянной. В норме существует система, препятствующая непрерывному накоплению мед и в тканях путем ограничения ее абсорбции ил и стимуляции ее выведения. Хронический избыток меди в тканях При соответствующих заболеваниях вызывают токсикоз : ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга. Около 95 % меди в организме присутствует в составе гликопротеина крови церулоплазмина. Известен факт недостатка этого белка При болезни Вильсона-Коновалова - врожденном дефиците метаболизма (гепатолентикулярная дегенерация). Из-за генетического дефекта в синтезе церулоплазмина его содержание в крови резко снижено. В результате медь не связывается в комплекс с нормальной для организма константой устойчивости. Это приводит к недостатк у мед и в цеп и реакций метаболизма, приводящей к естественному для здорового организма синтез у соединительной ткани. Для осуществления нормального процесса сшивки мономеров эластина и коллагена не хватает активной Си-лизолоксидазы. С другой стороны «освободившиеся» ионы меди, лишившись по сути единственного нормального потребителя, откладываются в специфических тканях (печень, ядра мозга, почки, эндокринные железы, радужная оболочка глаз), где оказывают прямой токсический эффект. Создается парадоксальная ситуация избытка меди в специфических тканях при ее недостатке в нормальной цепи метаболизма.

Хром один из наименее токсичных элементов. При острых отравлениях накапливается во внутренних органах. Считается, что трехвалентный хром в виде комплекса с никотиновой кислотой и алифатическим и аминокислотам и работает в организме в качестве «фактора толерантности к глюкозе». Его действие заключается в усилении гипогликемического действия инсулина. В обычных условиях отрицательным является недостаток хрома в организме.

Сурьма — менее токсичный элемент, чем мышьяк. При отравлении накапливается в скелете, почках, селезенке.

Барий в виде двухвалентного катиона ядовит из-за его антагонизма с калием (но не с кальцием). У обоих ионные радиусы подобны. Барий является мускульным ядом. Абсорбированный барий откладывается в костях и в пигментной оболочке глаз.

Марганец — элемент почти нетоксичен, особенно в виде двухвалентного иона. В виде перманганат-иона токсичен из-за окислительной способности. Отравление происходит в случае вдыхания оксида в промышленном производстве.

Серебро. Элемент накапливается в печени и в меньших количествах, но равномерно, в остальных органах и тканях. Отложения серебра отмечено в клубочках почек и в субэпителиальных слоях кож и («аргироз» — голубоватое окрашивание кожи).

При различных патологиях имеет место изменение содержания микроэлементов в организме. Исследование сыворотки больных острым вирусным гепатитом, а также при постгепатитном циррозе показало, что у пациентов с острым гепатитом концентрация цинка почти не менялась, концентрация кадмия значительно увеличивалась. Концентрация меди и марганца незначительно уменьшалась. При хроническом гепатите и постгепатитном циррозе содержание меди и цинка в сыворотке уменьшалось, а кадмия увеличивалось. Содержание марганца почти не менялось. Выделение с мочой меди, превышающее 115 мкг/сутки и сопровождаемое низким содержанием в крови, свидетельствует о синдроме системного заболевания, например, болезни Вильсона-Коновалова. Повышенное содержание в крови и моче алюминия, особенно у пожилых людей, может сопровождать энцефалопатию, болезнь Альцгеймера и другие формы слабоумия, а при почечной недостаточности также остеомаляцию и микроцитарную гипохромную анемию. Повышенное содержание в крови и моче лития характерно для больных с патологией мочевыделительной системы, нефропатиями.

Повышенное относительно ПДК содержание в биологических жидкостях отдельных тяжелых металлов может свидетельствовать о хроническом воздействии токсикантов на организм и перенапряжении работы почек и печени. Это требует мер по очистке организма от избытка тяжелых металлов, например, с помощью препаратов с полианионами (морская капуста) в незапущенных случаях.

Повышенное содержание в крови и моче наиболее токсичных тяжелых металлов (кадмия, ртути, свинца) требует энергичных мер по их выведению, поскольку их избыток разрушает нервную, сердечно-сосудистую и иммунную системы.

Повышенное содержание в крови и моче таллия и селена может пролить свет на причины облысения и плохое самочувствие таких больных.

Повышенное содержание в организме бора должно привлечь внимание к тяжелым металлам, содержание которых не превышает ПДК, т.к. он оказывает синергистское (усиливающее) влияние на их токсические свойства.

Токсичность «металлических ядов» объясняется связыванием их с соответствующими функциональными группами белковых и других жизненно важных соединений в организме. В результате нарушаются нормальные функции соответствующих клеток и тканей в организме, и наступает отравление, которое в ряде случае в заканчивается смертью.