Минеральный состав организма
Основная часть Биогенная классификация химических элементов. Некоторые характеристики минеральных элементов организма.
Заключение Как обеспечить оптимальную концентрацию минеральных веществ в организме.
Литература
Вступление
Вопрос о "минеральном составе" человека и, соответственно, потребностях его организма очень сложный, относящийся к числу фундаментальных и даже философских.
Организм (от лат. organizo — устраиваю, сообщаю стройный вид), живое существо, обладающее совокупностью свойств, отличающих его от неживой материи. Большинство организмов имеет клеточное строение. Формирование целостного организма — процесс, состоящий из дифференцировки структур (органов, тканей, клеток и межклеточного вещества) и функций и их интеграции как в онто-, так и в филогенезе.
Ткани, в биологии — системы клеток, сходных по происхождению, строению и функциям. В состав тканей входят также тканевая жидкость и продукты жизнедеятельности клеток. Ткани животных — эпителиальная, все виды соединительной, мышечная и нервная; ткани растений — образовательная, основная, защитная и проводящая.
Примеры тканей организма
Клетка, элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки существуют как самостоятельные организмы (напр., простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для размножения, и клетки тела (соматические), различные по строению и функциям (напр., нервные, костные, мышечные, секреторные). Размеры клетки варьируют в пределах от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).
У человека в организме новорожденного ок. 2·1012. В каждой клетке различают 2 основные части: ядро и цитоплазму, в которой находятся органоиды и включения. Клетки растений, как правило, покрыты твердой оболочкой. Наука о клетке — цитология.
Схема строения животной клетки
Химический состав клетки. Обычно 70–80 % массы клетки составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения. Наиболее характерные компоненты клетки – белки и нуклеиновые кислоты. Некоторые белки являются структурными компонентами клетки, другие – ферментами, т.е. катализаторами, определяющими скорость и направление протекающих в клетках химических реакций. Нуклеиновые кислоты служат носителями наследственной информации, которая реализуется в процессе внутриклеточного синтеза белков.
Описать типичный состав клетки не представляется возможным прежде всего потому, что существуют большие различия в количестве запасаемых продуктов и воды. В клетках печени содержится, например, 70% воды, 17% белков, 5% жиров, 2% углеводов и 0,1% нуклеиновых кислот; оставшиеся 6% приходятся на соли и низкомолекулярные органические соединения, в частности аминокислоты. Кровь, лимфа и тканевая жидкость образуют внутреннюю среду организма, омывающую все клетки и ткани тела. Внутренняя среда имеет относительное постоянство состава и физико-химических свойств, что создает приблизительно одинаковые условия существования клеток организма (гомеостаз). Кровь — это особая жидкая ткань организма. Кровь обеспечивает все клетки организма питательными веществами: глюкозой, аминокислотами, жирами, витаминами, минеральными веществами, водой.
Обмен веществ (метаболизм), совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий. Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные процессы анаболизма и катаболизма, направленные на непрерывное обновление живого материала и обеспечение его необходимой энергией. Анаболические и катаболические процессы осуществляются путем последовательных химических реакций с участием ферментов. Для каждого вида организмов характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ, зависящий от условий его существования. Интенсивность и направленность обмена веществ в клетке обеспечивается путем сложной регуляции синтеза и активности ферментов, а также в результате изменения проницаемости биологических мембран. В организме человека и животных имеет место гормональная регуляция обмена веществ, координируемая центральной нервной системой. Любое заболевание сопровождается нарушениями обмена веществ; генетически обусловленные нарушения обмена веществ служат причиной многих наследственных болезней.
Минеральные вещества, наряду с белками, углеводами и витаминами, являются необходимыми элементами питания человека. Они способствуют химическому построению тканевых структур и протеканию биохимических и физиологических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма. Кроме того, минеральные вещества входят в состав или активизируют действие ферментов, гормонов, витаминов и участвуют в обмене веществ. Каждый химический элемент выполняет определенную функцию. Когда организму недостает какого-либо вещества, человек испытывает недомогание, болеет, теряем оптимизм и веру в себя, его кожа увядает, а волосы тускнеют. Этого можно избежать, если восстановить минеральный баланс.
Основная часть
Биогенная классификация химических элементов
Тело любого существующего на Земле организма, растительного или животного, состоит из вполне определенного набора химических элементов, генетически строго контролируемого и передаваемого в тех же соотношениях из поколения в поколение. Минеральный состав современных организмов складывался под воздействием двух процессов. С одной стороны, это эволюция состава гидро- и литосферы, характеризующаяся постоянным сдвигом соотношения химических элементов из-за выщелачивания, вулканической деятельности. С другой стороны, это "необходимое" для организма генетическое контролирование уже имеющихся внутри него на том или ином этапе соотношений, ведь, по словам знаменитого К. Бернара, "постоянство внутренней среды - необходимое условие свободной жизни организма". История взаимоотношений среда - организм исполнена драматизма. Лишь изучив прошлое организмов, их эволюцию и адаптацию к меняющейся геохимической среде обитания, вымирание и расцвет отдельных видов, родов и семейств растений и животных, мы сможем грамотно ориентироваться в настоящем, решать актуальные проблемы медицины, экологии и проблемы, сопряженные с ними.
С этих позиций была поставлена задача создания естественной классификации химических элементов, которая может быть решена на стыке эволюционной геологии, генетики и медицины.
Но как ни замечательна таблица Менделеева с точки зрения физиков и химиков, биологам ее недостаточно. Ведь место, занимаемое в ней каким-либо элементом, еще не определяет место этого элемента в живом организме. В настоящее время наблюдается неимоверная путаница в делении элементов по их отношению к живым организмам - на биогенные и абиогенные, на макро-, микро- и, а теперь уже и ультрамикроэлементы, на ятрогенные (т.е. вроде бы и нужные, но вредящие), эссенциальные (жизненно важные) и условно эссенциальные, на токсичные и условно токсичные. Эту путаницу усугубляет антропоцентризм, поскольку полезность, нейтральность или "вредность" того или иного элемента для человека отнюдь не означает таковых свойств для других представителей животного мира или для представителей мира растительного.
Все перечисленные выше классификации по сути своей искусственны. В самом деле, само деление биогенных элементов на макро- и микроэлементы напоминает попытку подразделить всех животных на "больших" (бегемот, кит, акула...) и "маленьких" (мышь, колибри, кузнечик...). Так, железо в животном организме до сравнительно недавнего времени относили к макроэлементам, но, убедившись в том, что свыше 90% его связано с гемоглобином, "перевели" его в микроэлементы.
Более того, всех химических элементов в природе чуть больше ста, из них стабильных - всего 92. Из списка потенциальных претендентов на роль жизненно необходимых элементов можно исключить заведомо не участвующие в метаболизме инертные газы и классические "тяжелые металлы". Этот список становится совсем коротким. Тем не менее, несмотря на огромное количество исследований, посвященных функциям отдельных химических элементов в животном организме, вопрос о том, какие из 81 в нем обнаруживаемого элемента (согласно данным пламенной фотометрии) действительно жизненно необходимы, а какие присутствуют случайно, за счет попадания с пищей, водой и воздухом или по крайней мере могут без ущерба для организма замещаться в метаболических цепях, остается открытым. Общее число элементов, определяемых как жизненно важные, варьирует у разных авторов в весьма широких пределах. Например, один из классиков биохимии А. Ленинджер полагает, что таковых лишь 22 (табл.1), да и то, с его точки зрения, только 16 из них (выделенные в таблице курсивом) встречаются во всех классах организмов.
Таблица 1 Жизненно важные элементы, входящие в состав организмов
(по А. Ленинджеру)
Элементы, входящие в состав органических веществ Одноатомныеионы Элементы, обнаруживаемыев следовых количествах
Кислород Натрий Марганец Алюминий
Углерод Калий Железо Ванадий
Азот Магний Кобальт Молибден
Водород Кальций Медь Йод
Фосфор Хлор Цинк Кремний
Сера - Бор -
Согласно классификации П. Аггетта, к четырем органогенам (кислород, углерод, водород и азот) и семи макроэлементам (фосфор, сера, натрий, калий, магний, кальций, хлор) как важнейшим эссенциальным элементам следует добавить еще девять: железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт. Всего жизненно важных элементов - 20.
Один из выдающихся специалистов по микроэлементам В.Мерц, предлагает к 11 органогенам и макроэлементам (о количественном и качественной составе этой группы, по сути, никто не спорит) добавить следующие элементы, избыток или дефицит которых имеет значение для здоровья человека: железо, медь, цинк, хром, селен, молибден, йод, кадмий, свинец и ртуть. Таким образом, всего получается 21, но состав группы другой.
Согласно более широкой трактовке, предлагаемой Анке, к эссенциальным микроэлементам наряду с "классическими" эссенциальными элементами Аггетта (см. выше) следует отнести "новые" эссенциальные: фтор, кремний, олово, ванадий, никель, мышьяк, кадмий, литий, свинец. Всего их будет 29.
Все эти разночтения относительно количества, свойств и участия различных химических элементов в метаболизме животных организмов связаны, как мне представляется, в первую очередь с отсутствием системного подхода. Здесь можно лишь повторить, что необходимо создать естественную классификацию химических элементов, - это способствовало бы наряду с прочим устранению подобных противоречий.
К органогенам традиционно причисляют, учитывая их общее содержание в живом веществе (98,72 ат%), четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот, - именно в данной последовательности исходя из их весовых отношений (т.е. г/т). Более правильным будет, однако, их расположение в такой последовательности: водород, кислород, углерод, азот, - поскольку биология оперирует соотношениями атомов в живом веществе.
Таблица 2 Содержание некоторых химических элементов в растительных и животных организмах, моль/т
(перерасчете на количество молей на тонну сухого органического вещества)
Элемент Наземные растения Наземные животные
Водород 55000 70000
Углерод 37833 38750
Кислород 25625 11625
Азот 2143 7143
Кальций 450 5-212,5
Калий 360 190
Магний 132 41
Сера 106 156
Фосфор 74 548-1420
Хлор 57 79
Натрий 52 174
Кремний 7-179 4-214
Алюминий 19 0,15-3,70
Марганец 11,45 0,004
Бор 4,63 0,046
Железо 2,5 2,9
Цинк 1,53 2,45
Стронций 0,3 0,16
Рубидий 0,23 0,20
Медь 0,22 0,04
Барий 0,1 0,005
Никель 0,051 0,014
Ванадий 0,03 0,003
Фтор 0,026-2,105 7,9-26,3
Титан 0,02 0,004
Литий 0,014 0,003
Свинец 0,013 0,01
Кобальт 0,008 0,0005
Цирконий 0,007 0,003
Хром 0,0044 0,0014
Галлий 0,0008 0,00008
Действительно, из первых четырех элементов можно построить целый ряд органических молекул, таких как простые углеводороды, альдегиды, спирты, и некоторые аминокислоты. Академик А.И. Опарин показал это в модельных экспериментах, воспроизводящих природные условия, предположительно существовавшие около 3 млрд. лет назад. Эти же элементы являются каркасом любой органической молекулы.
Причина того, что эти четыре элемента так идеально подходят к выполнению биологических функций, заключается в том, что все они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешние электронные оболочки и образовать таким образом стабильные ковалентные связи, водороду требуется один электрон, кислороду - два, азоту - три, и углероду - четыре электрона. Эти четыре элемента могут легко реагировать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Помимо этого, три из них - углерод, азот и кислород - образуют и одинарные и двойные связи, благодаря чему могут образовывать самые разнообразные химические соединения. Наконец, среди элементов, способных образовывать ковалентные связи, они самые легкие, и, так как прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весам связанных с ее помощью атомов, возможно, что живые организмы "выбрали" именно эти элементы из-за их способности формировать прочные ковалентные связи.
Очень важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом, образуя стабильные углерод-углеродные связи, что и обеспечивает углеводородные каркасы разнообразных молекул. Соединениям углерода свойственна еще одна отличительная особенность, которая состоит в способности спаренных электронов образовывать вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию, благодаря чему различные типы органических молекул обладают различной трехмерной структурой. Никакой другой химический элемент, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными конфигурациями и размерами и с таким многообразием функциональных групп.
Следует обратить внимание вот на какой аспект. Большинство исследователей, занимающихся химизмом человеческого тела, сравнивают его минеральный состав с минеральным составом современной суши, тогда как 90% эволюции живых организмов прошло в океане. В таблице 3 сравнивается минеральный состав современного океана с минеральным составом крови некоторых животных. В этой таблице приводятся данные, полученные разными исследователями. Очевидно, на основании этих данных можно судить о том, как происходило формирование системы натрий-калиевого насоса в живых клетках.
Таблица 3 Концентрация катионов в морской воде и жидкостях организмов некоторых млекопитающих и птиц, ммоль/кг
Животное Ткань Концентрация элемента
Na K Ca Mg Отношение Na:K
- Морская вода 460 10 11 55 46:1
Человек Сыворотка 143,0 5,0 5,0 2,2 28,6:1
Крыса Плазма 145,0 5,3 3,1 1,6 27,3:1
Собака Сыворотка 150,5 5,3 5,3 3,7 28,4:1
В сыворотке крови животных соотношение натрия и калия достаточно стабильно и составляет приблизительно 26-28:1. В современном же океане это соотношение равняется примерно 46:1.
Отсюда можно сделать вывод, что соотношение 26-28:1 было в океане в момент возникновения многоклеточных форм жизни.
Второй оригинальный вывод касается того, почему в животном мире возник феномен солеедения (потребления хлористого натрия). Дело в том, что в момент дивергенции гетеротрофных клеток на растительные и животные у растительных клеток натрий-калиевый насос сменяется водородной помпой. Другими словами, система натрий - калий, обеспечивающая наряду с прочим проводимость клеточной мембраны, сменяется системой водород - калий. Как следствие (обратимся к табл. 1, в которой приводятся данные о содержании, в частности, этих двух элементов у растительных и животных форм) соотношение калия и натрия равняется 1:1 у животных организмов и 7:1 у организмов растительных (!). Вот почему самыми убежденными солеедами являются травоядные (коровы, овцы, лоси, олени), умеренными солеедами - всеядные животные, употребляющие как растительную, так и животную пищу (медведи, свиньи, обезьяны, человек), а хищники соль в пищу не употребляют, поскольку добывают эти два элемента в оптимальном соотношении (приблизительно 1:1) из тела жертвы.
Наконец, о человеке. Биогенетический закон Геккеля гласит, что онтогенез есть краткое повторение филогенеза. Другими словами, каждый живой организм повторяет изменениями своих черт все эволюционные изменения своих предков. Так вот, в многочисленных исследованиях показано, что наибольшая концентрация кремния имеет место в зародышах человеческого организма, а к моменту рождения она постепенно снижается. И от рождения до старости у человека соотношение кремния и кальция во всех тканях организма, особенно в соединительных, изменяется в пользу кальция. Высокая же концентрация кальция является причиной многих "болезней цивилизации", - хрупкость костей, разрыв связок и т.д.
Таким образом, под общим названием "макроэлементы" можно объединить рассматриваемые в этой главе шесть - калий, натрий, кальций, магний, хлор, кремний. Они составляют вторую группу.
Чтобы надежно вычленить эссенциальные микроэлементы для высших животных, и в первую очередь для человека, необходимо обратить внимание на те случаи, когда дефицит в организме того или иного элемента достоверно определяет какое-либо патологическое нарушение в организме. К эссенциальным элементам, удовлетворяющим условию: и дефицит, и избыток данного элемента приводят к патологическим отклонениям в организме - можно отнести железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт, фтор. Эти десять элементов, биологическая значимость которых в организме высших млекопитающих, и в том числе человека, на сегодняшний день твердо установлена, следует объединить в третью группу - эссенциальных микроэлементов.
Существует еще ряд микроэлементов, которые в микроколичествах, но стабильно присутствуют в человеческом организме. К этой группе биогенных элементов относятся следующие: мышьяк, бор, бром, литий, никель, ванадий, кадмий, свинец. Их можно объединить в четвертую группу под общим названием "условно эссенциальные микроэлементы".
Брэйн-элементы
Имеется целая группа элементов с неизведанными функциями. С достаточно большой степенью осторожности можно говорить об их взаимосвязи с интеллектуальными возможностями человека.
Прежде всего, обращает на себя внимание их относительно высокая концентрация в головном мозге человека, органе, который является одним из наиболее оберегаемых в организме. Так, необъяснимо относительно высокое содержание в головном мозге золота (2,54 мкмоль/кг сухой массы), таллия (2,44 мкмоль/кг, тогда как в других органах - не более 1,96 мкмоль/кг), олова (16 мкмоль/кг, что на порядок превышает его содержание в других органах) и некоторых других элементов. Вообще, в микроэлементном отношении мозг человека в чем-то сродни компьютеру.
Полученные рядом исследователей данные указывают на то, что химический состав волос у людей, резко отличающихся друг от друга по интеллектуальному потенциалу, достоверно различен по содержанию некоторых микроэлементов. В частности, при исследовании детей одного из районов Новосибирской области с общим диагнозом "умственная отсталость", было установлено, что у больных детей в волосах достоверно повышена концентрация марганца, ванадия и никеля и понижена концентрация галлия. Геохимический район проживания всех детей один и тот же, так что в этом смысле ошибка исключена.
Все эти элементы можно объединить в пятую группу элементов под общим названием "брэйн-элементы".
Элементы нейтральные и агрессивные
Думается, само понятие "токсичные элементы" архаично и не имеет права на существование. В приведенном в предыдущих разделах делении биогенных элементов на пять групп этому понятию не нашлось места, и я сознательно его не употреблял. Действительно, избыток любого химического элемента (будь то сера, железо, цинк или золото) в человеческом организме приводит к патологии. Это касается элементов всех групп, даже первоэлементов. Печально известная синильная кислота имеет формулу HCN, т.е. представляет собой соединение трех органогенов. Следовательно, речь можно вести только о токсичной концентрации либо о токсичных соединениях того или иного элемента.
Все абиогенные элементы можно три группы.
К первой из них можно отнести так называемые элементы-нейтралы типа алюминия, титана и рубидия, относительно высокие концентрации которых организм переносит достаточно безболезненно.
Техногенные, к которым относятся в первую очередь тяжелые металлы, такие, как ртуть, висмут, осмий и т.п Такие элементы можно отнести ко второй группе абиогенных элементов, определив их как агрессивные.
Третья подгруппа элементов из числа абиогенных. Это так называемые элементы-конкуренты - барий, стронций и др. После выхода организмов на сушу и замены этих элементов более легким и реакционноспособным кальцием они стали конкурировать с ним за место в метаболизме организмов. Отсюда вызывающая хрупкость кости и недоразвитие скелета болезнь Урова (замещение кальция на стронций в скелетах людей) в некоторых эндемичных районах Сибири и, по всей видимости, возникновение ряда минеральных новообразований в человеческом организме типа уролитиаза и атеросклероза.
Таблица 4 Биогенная классификация химических элементов
Тип Группа Название Примечание
Первоэлементы Водород, углерод, кислород, азот Каркасные элементы органических молекул, возникших еще в докембрии. Составляющие большинства аминокислот
Фосфор, сера Непременные участники белковых молекул, ДНК и РНК. Создатели первичной, доклеточной жизни
Биогенные Макроэлементы Калий, натрий, кальций, магний, хлор, кремний. Элементы буферной системы первых одноклеточных организмов и клеточного потенциала. Первые элементы скелетного аппарата простейших организмов
Эссенциальные микроэлементы Железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт, фтор. Включились в метаболизм с возникновением кровеносной системы. Участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Составляющие коферментов организма
Условно эссенциальные микроэлементы Мышьяк, бром, литий, никель, ванадий, кадмий, свинец. Узкоспециализированная группа элементов, "работающая" не у всех видов организмов. Некоторые входят в состав коферментов
Брэйн-элементы (Золото, олово, таллий, теллур, германий, галлий) Предположительно, участвуют в проводимости импульсов головного мозга млекопитающих. Очевидно, включились в метаболизм в четвертичном периоде
Абиогенные Нейтральные Алюминий, титан, рубидий Не заняли своего места в метаболизме животных из-за слабой реакционной способности, несмотря на широкую распространенность в литосфере
Конкуренты Барий, стронций, цезий Участвовали в метаболизме морских форм организмов, что и определило их дальнейшую конкуренцию в метаболизме сухопутных видов (ведущую к патологии)
Агрессивные Ртуть, бериллий, осмий, висмут Элементы поздней вулканической деятельности. В связи с тем, что не нашли места в метаболизме организмов, вредны в малых дозах
Классификацию элементов, представленную в этой таблице, можно считать естественной, поскольку в ее основе лежит достаточно логичный и последовательный эволюционный принцип. Все элементы Периодической таблицы Менделеева подразделены на два типа: биогенные, т.е. участвующие в метаболизме живых форм, и абиогенные, т.е. все остальные. Биогенные элементы, в свою очередь, подразделены на пять групп, причем их иерархия от момента включения в метаболизм организмов на ранних этапах развития живой материи до четвертичного периода в целом соответствует распространенности в живых организмах. Ясно, например, что
- первоэлементы являются сквозными для всех форм жизни на Земле, т.е. присущи всем формам жизни;
- макроэлементы - сквозными для всех животных организмов;
- эссенциальные микроэлементы - сквозными для всех млекопитающих;
- условно эссенциальные - сквозными для отдельных семейств млекопитающих.
- брэйн-элементы - сквозными для высших млекопитающих и человека.
Абиогенные элементы подразделены на три группы, по отношению к живым организмам. Исчерпывающая мотивировка такого деления приведена в тексте.
Самое главное, как мне кажется, то, что настоящая таблица функциональна. Она является одной из первых попыток подобного рода классификации, если не первой такой попыткой, и, несмотря на все свое несовершенство и предварительный характер, может оказаться полезной в различных областях естественных наук, включающих теорию эволюции, генетику, медицину.
Некоторые характеристики минеральных элементов
организма
Всего в организме обнаруживается свыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева, 47 из них присутствуют постоянно и называются биогенными. Минеральные вещества играют важную роль в поддержании кислотно-основного равновесия, осмотического давления, системе свертывания крови, регуляции многочисленных ферментных систем и пр., т.е. имеют решающее значение в создании и поддержании гомеостаза.
По количественному содержанию в организме они делятся на макроэлементы, если их больше чем 0,01 % от массы тела (К, Са, Мg, Na, P, Cl) и микроэлементы (Mn, Zn, Cr, Cu, Fe, Co, Al, Se). Основную часть минеральных веществ организма составляют хлористые, фосфорнокислые и углекислые соли натрия, кальция, калия, магния. Соли в жидкостях организма находятся в частично или полностью диссоциированном виде, поэтому минеральные вещества присутствуют в виде ионов – катионов и анионов.
Функции минеральных веществ:
1) пластическая (кальций, фосфор, магний);
2) поддержание осмотического давления (калий, натрий, хлор);
3) поддержание буферности биологических жидкостей (фосфор, калий, натрий);
4) поддержание коллоидных свойств тканей (все элементы);
5) детоксикационная (железо в составе цитохрома Р-450, сера в составе глутатиона);
6) проведение нервного импульса (натрий, калий);
7) участие в ферментативном катализе в качестве кофактора или ингибитора;
8) участие в гормональной регуляции (йод, цинк и кобальт входят в состав гормонов).
Промежуточный и конечный обмен минеральных веществ
Поступают минеральные вещества в организм в свободном или связанном виде. Ионы всасываются уже в желудке, основная часть минеральных веществ – в кишечнике путем активного транспорта при участии белков – переносчиков. Из желудочно-кишечного тракта поступают в кровь и лимфу, где связываются со специфическими транспортными белками. Выделяются минеральные вещества главным образом в виде солей и ионов.
С мочой: натрий, калий, кальций, магний, хлор, кобальт, йод, бром, фтор.
С калом: железо, кальций, медь, цинк, марганец, молибден, и тяжелые металлы.
Характеристика отдельных элементов
Натрий – основной катион внеклеточного отдела. Составляет 0.08 % от массы тела. Играет главную роль в поддержании осмотического давления. При отсутствии или ограничении в поступлении натрия в организм его выделение с мочой почти полностью прекращается. Всасывается в верхнем отделе тонкого кишечника при участии белков-переносчиков и требует затраты АТФ. Суточная потребность варьирует в зависимости от водно-солевого обеспечения организма. Депонируется в коже и мышцах. Кишечная потеря натрия происходит при диареях.
1) участвует в возникновении и поддержании электрохимического потенциала на плазматических мембранах клеток;
2) регулирует состояние водно-солевого обмена;
3) участвует в регуляции работы ферментов;
4) компонент K+ - Na+ насоса.
Хлор – важнейший анион внеклеточного пространства. Составляет 0,06% от массы тела. Большая часть его содержится в желудочном соке. Участвует в поддержании осмотического равновесия. Активирует амилазу и пептидазы. Всасывается в верхних отделах кишечника, выделяется в основном с мочой. Концентрация хлора и натрия обычно изменяются параллельно.
Калий – составляет 0,25% от массы тела. Во внеклеточном пространстве содержится только 2% от общего количества, а остальное - в клетках, где связан с углеводными соединениями. Всасывается на протяжении всего желудочно-кишечного тракта. Часть калия откладывается в печени и коже, а остальная поступает в общий кровоток. Обмен очень быстро протекает в мышцах, кишечнике, почках и печени. В эритроцитах и нервных клетках более медленный обмен калия. Играет ведущую роль в возникновении и проведении нервного импульса. Необходим для синтеза белков (на 1г белка – 20 мг ионов калия), АТФ, гликогена, принимает участие в формировании потенциала покоя. Выделяется в основном с мочой и меньше с калом.
Кальций – внеклеточный катион. Составляет 1,9 % от массы тела. Содержание повышается в период роста или беременности. Функционирует как составная часть опорных тканей или мембран, участвует в проведении нервного импульса и инициации мышечного сокращения, является одним из факторов гемокоагуляции. Обеспечивает целостность мембран (влияет на проницаемость), т. к. способствует плотной упаковке мембранных белков. Кальций ограничено участвует в поддержании осмотического равновесия. Вместе с инсулином активирует проникновение глюкозы в клетки. Всасывается в верхнем отделе кишечника. Степень его усвоения зависит от рН среды (соли кальция в кислой среде нерастворимы). Жиры и фосфаты препятствуют всасыванию кальция. Для полного усвоения из кишечника необходимо наличие активной формы витамина Д3.
Большая часть кальция содержится в костной ткани (99%) в составе микрокристаллов карбонатапатита 3Са2(РО4)2 * СаСО3 и гидроксилапатита 3Са2(РО4)2 * СаОН. Общий кальций крови включает три фракции: белоксвязанный, ионизированный и неионозированный (который находится в составе цитрата, фосфата и сульфата).
Магний – составляет 0.05% от массы тела. В клетках его содержится в 10 раз больше, чем во внеклеточной жидкости. Многого магния в мышечной и костной ткани, также в нервной и печеночной. Образует комплексы с АТФ, цитратом, рядом белков.
1) входит в состав почти 300 ферментов;
2) комплексы магния с фосфолипидами снижают текучесть клеточных мембран;
3) участвует в поддержании нормальной температуры тела;
4) участвует в работе нервно-мышечного аппарата.
Неорганический фосфор - содержится преимущественно в костной ткани. Составляет 1% от массы тела. В плазме крови при физиологических рН фосфор на 80 % представлен двухвалентным и на 20 % одновалентным анионом фосфорной кислоты. Фосфор входит в состав коферментов, нуклеиновых кислот, фосфопротеинов, фосфолипидов. Вместе с кальцием фосфор образует апатиты – основу костной ткани.
Медь входит в состав многих ферментов и биологически активных металлопротеинов. Участвует в синтезе коллагена и эластина. Является компонентом цитохрома с электронтранспортной цепи.
Сера – составляет 0.08%. Поступает в организм в связанном виде в составе АК и сульфат-ионов. Входит в состав желчных кислот и гормонов. В составе глутатиона участвует в биотрансформации ядов.
Железо входит в состав железосодержащих белков и гема гемоглобина, цитохромов, пероксидаз.
Цинк – является кофактором ряда ферментов.
Кобальт входит в состав витамина В12.
Обмен воды и электролитов
Водно-электролитный обмен это совокупность процессов поступления, всасывания, распределения и выделения из организма воды и электролитов. Он обеспечивает постоянство ионного состава, кислотно-основного равновесия и объема жидкостей внутренней среды организма. Ведущую роль в нем играет вода.
Вода –главный составной элемент минеральной природы организма.
Функции воды:
1) внутренняя среда организма;
2) структурная;
3) всасывание и транспорт веществ;
4) участие в биохимических реакциях (гидролиз, диссоциация, гидратация, дегидратация);
5) конечный продукт обмена;
6) выделение при участии почек конечных продуктов обмена.
Содержание воды в организме варьирует в зависимости от органов и тканей. Мозг – 70-84%, почки – 82%, сердце и легкие – 79%, мышцы – 76%, кожа – 72%, печень – 70%, костная ткань – 10%.
Вода, которая поступает алиментарным (с пищей) путем называется экзогенной, а образовавшаяся в качестве продукта биохимических превращений – эндогенной.
Строение молекул воды и их ассоциаты
Молекула воды (1H216O) состоит из двух атомов водорода (1H) и одного атома кислорода (16O). Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.
В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его - сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, - по одному ядру водорода..
В соответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула воды располагает пятью электронными парами. Они образуют электронное облако. Облако неоднородно - в нем можно различить отдельные сгущения и разрежения. У кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно обрамляет ядро: схематически она представлена окружностью с центром - ядром O2-. Четыре внешних электрона группируются в две электронные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные. Схематически суммарные электронные орбитали этих пар показаны в виде эллипсов, вытянутых от общего центра - ядра O2-. Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти пары также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому водородные ядра - протоны - оказываются несколько оголенными, и здесь наблюдается недостаток электронной плотности.
Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных (избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большей наглядности можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра, в центре которого находится ядро кислорода.
Каждая молекула воды является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом. Под воздействием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на поверхности погруженного в нее вещества. Во многом благодаря этому, вода проявляет себя как универсальный растворитель. Ее растворяющему действию в той или иной мере подвластны и твердые тела, и жидкости, и газы.
Постоянно соприкасаясь со всевозможными веществами, вода фактически всегда представляет собой раствор различного, зачастую очень сложного состава.
Полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядов порождает склонность к группировке молекул в укрупненные "сообщества" - ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии.
Непосредственной причиной образования ассоциатов являются водородные связи. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными "сгущениями" у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем "стандартные" внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:
x * H2O ? (H2O)x
Поскольку электронные орбитали в каждой молекуле воды образуют тетраэдрическую структуру, водородные связи могут упорядочить расположение молекул воды в виде тетраэдрических координированных ассоциатов.
Возможны и другие модели водной структуры. Тетраэдрически связанные молекулы воды образуют своеобразные рои довольно стабильного состава. Пространства между роями заполняют мономерные молекулы воды.
Исследователи раскрывают все более тонкие и сложные механизмы "внутренней организации" водной массы. Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы ассоциатов.
Изучение структуры жидкой воды еще не закончено; оно дает все новые факты, углубляя и усложняя наши представления об окружающем мире. Развитие этих представлений помогает нам понять многие аномальные свойства воды и особенности взаимодействия ее, как растворителя, с другими веществами.
С водой мы получаем до 25% суточной потребности химических веществ". Причем эта цифра кочует по разным изданиям. Тем не менее, в разговорах специалистов в ходу больше цифра 6-8% со ссылкой на ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения). Наиболее достоверные данные сведены в таблицу. Объяснение содержимого ее колонок:
Для начала необходимо определиться с несколькими исходными позициями:
1. Какие минеральные вещества и в каких количествах нужны человеку?
В качестве норм суточной потребности были использованы данные, приведенные в Популярной медицинской энциклопедии. Причем, за базовое мы брали минимальное значение для взрослого мужчины (Показатели приведены во 2-м столбце).
2. Каков минеральный состав "средней" воды?
Понятно, что никакой "средней" воды нет и быть не может, но можно ориентироваться на установленые нормам российского СанПиН "Вода питьевая.
Таким образом, в качестве потребляемой принимается некая вода, в которой содержание основных био-элементов равно максимально допустимому с точки зрения безопасности для здоровья (3-й столбец таблицы).
На основе этих данных было вычислено, сколько воды надо употребить, чтобы набрать суточную норму по каждому элементу (4-й столбец таблицы). Огромным допущением здесь является то, что при расчетах усвояемость минералов из воды мы принимали за 100%, что далеко не соответствует действительности.
В сутки непосредственно в виде жидкости (питья и жидкой пищи) человек употребляет 1,2 л воды.
Именно эта цифра и легла в основу вычисления процента поступления с водой каждого элемента, который теоретически может получить в сутки среднестатистический человек. Цифра получена путем деления 1,2 на соответствующую величину из 4-го столбца.
В итоге получается средневзвешенный процент получения человеком макро- и микроэлементов, которое может обеспечить вода.
Расчет производится следующим образом:
800х15+1200х0,12+500х12+2000х0,72+5000х4,8+2000х15+1000х10+10х3,6+2х90+2х60+0,1х89 = 6,7067 (%)
800 + 1200 + 500 + 2000 + 5000 + 2000 + 1000 + 10 + 2 + 2 + 0,1
То есть, даже теоретически, вода не может обеспечить поступление в организм более 6,7% минеральных веществ, необходимых человеку.
На практике, учитывая реальное содержание макро- и микроэлементов в воде, эта цифра может быть уменьшена в 1,5 - 2 раза.
Можно утверждать только один элемент - фтор, про который прямо указывается, что источником его поступления в организм является вода. Про все остальные однозначно говориться, что их источником является пища.
Именно поэтому для сравнения в 6-м столбце приводится мини-список альтернативных (пищевых) источников поступления в организм тех же элементов. В скобках указано содержание соответствующего элемента в данном продукте (1 мг% соответствует содержанию элемента в миллиграммах на 100 грамм продукта).
В 7-м столбце приведено количество того или иного продукта в граммах, употребление которого даст организму в сутки (с таким же допущением 100% усвояемости, что и для воды) то же количество соответствующего макро- или микроэлемента, что и наша гипотетическая вода (см. выше п.2).
Приведенные данные ни в коей мере не могут служить рекомендациями по питанию. Данная таблица призвана только проиллюстрировать тот факт, что получить необходимые для организма макро- и микроэлементы гораздо проще и самое главное реальнее из пищи, чем из воды.
Элемент Суточная потребность ПДКв воде Требуемое кол-во воды для получения 100% нормы Теоретически возможный% получения мин. веществ из воды Альтернативный источник Кол-во продук-та, обес-печи-вающее получе-ние био-элемен-тов, рав-ное пос-тупаю-щему с водой
1 2 3 4 5 6 7
Кальций 800 мг 100 мг/л 8,0 л 15 % Сыр твердый (1005 мг%)Брынза (550 мг%)Петрушка зел. (245мг%)Творог (160 мг%)Курага (160 мг%)Фасоль (150 мг%)Молоко (120 мг%) 12 г24 г49 г75 г75 г80 г667 г
Фосфор 1200 мг 1.21) мг/л 1000 л 0,12% Грибы сушеные (606 мг%)Фасоль (540 мг%)Сыр твердый (500 мг%)Овсяная крупа (350 мг%)Печень (320 мг%)Рыба (250 мг%)Говядина (188 мг%)Хлеб ржаной (158 мг%) 24 г36 г29 г41 г45 г58 г77 г91 г
Магний 500 мг 50 мг/л 10,0 л 12 % Арбуз (224 мг%)Орехи (200 мг%)Гречневая крупа (200 мг%)Овсяная крупа (116 мг%)Горох (107 мг%)Кукуруза (107 мг%)Хлеб пшен.2 сорт(89 мг%)Сыр твердый (50 мг%) 27 г30 г30 г52 г56 г56 г68 г120 г
Калий 2000 мг 12 мг/л 166,67 л 0,72 % Курага (1717 мг%)Фасоль (1100 мг%)Морская капуста (970 мг%)Горох (873 мг%)Арахис (732 мг%)Картофель (568 мг%)Редька (357 мг%)Помидоры (290 мг%)Свекла (288 мг%)Яблоко (278 мг%) 0,86 г1,31 г1,44 г1,66 г1,87 г2,53 г4,03 г4,97 г5,00 г5,18 г
Натрий 5000 мг 200 мг/л 25 л 4,8% Соль пищевая (38710 мг%)Сыр мягкий (1900 мг%)Брынза овечья (1600 мг%)Капуста кваш. (930 мг%)Огурец сол. (900 мг%)Хлеб ржаной (610 мг%)Креветки (540 мг%)Морская капуста 520Камбала (200) 0,6 г13 г15 г26 г27 г39 г45 г46 г120 г
Хлор 2000 мг 250 мг/л 8 л 15 % Соль пищевая (59690 мг%)Хлеб ржаной (980 мг%)Хлеб пшеничный (825 мг%)Рыба (165 мг%)Яйцо куриное (156мг%)Молоко (110 мг%)Печень говяжья (100 мг%) Простокваша (98 мг%)Овсяная крупа (80 мг%) 0,5 г31 г36 г182 г192 г273 г300 г306 г375 г
Сера 1000 мг 83мг/л2) 12 л 10% Печень говяжья (239 мг%)Свинина (220мг%)Яйцо куриное(176мг%)Баранина (165 мг%)Горох (190 мг%)Фасоль (159 мг%)Грецкий орех (100 мг%)Гречка (88мг%)Хлеб(59мг%)Молоко коровье (29мг%) 42 г45 г57 г61 г53 г63 г100 г114 г170 г.345 г
Железо 10 мг 0,3 мг/л 33,33 л 3,6% Белый гриб суш. (35 мг%)Печень свиная (20,2 мг%)Горох (6,8 мг%)Гречка (6,7 мг%)Фасоль (5,9 мг%)Язык говяжий (4,1 мг%) Шпинат (3,5 мг%)Айва (3 мг%)Абрикос (2 мг%)Петрушка (1,9 мг%) 1,1 г1,8 г5,3 г5,4 г6,1 г8,8 г10,3 г12 г18 г19 г
Фтор 2 мг 1,5 мг/л 1,33 л 90% Скумбрия (1,4 мг%)Минтай (0,7 мг%)Орех грецкий (0,685 мг%)Рыба морская (0,43 мг%) 129 г.258 г263 г419 г
Медь 2 мг 1,0 мг/л 2 л 60% Печень говяжья (3,8 мг%)Печень свиная (3,0 мг%)Горох (0,75 мг%)Гречка (0,64 мг%)Фасоль (0,48 мг%)Геркулес (0,45 мг%)Баранина (0,238 мг%)Хлеб ржаной (0,22 мг%) 32 г40 г160 г187 г251 г266 г504 г546 г
Йод 0,1 мг 0,0743)мг/л 1,35 л 89% Морская капуста4) (1 мг%)Печень трески (0,8 мг%)Хек (0,16 мг%)Минтай (0,15 мг%)Путассу, треска(0,135 мг%)Креветки (0,11 мг%)Морская рыба (0,05 мг%)Сердце говяжье (0,03 мг%) 8,9 г11 г56 г60 г66 г81 г178 г296 г
Примечания:1) в пересчете с фосфата для водоемов хозяйственно-питьевого назначения (Постановление правительства Москвы от 24 ноября 1998 г. N 911)2) В пересчете с сульфатов3) Максимальное количество в речной воде4) В зависимости от вида и сроков сбора содержание йода может составлять от 0,05 до 70 мг%.ЗаключениеКак же обеспечить оптимальную концентрацию минеральных веществ?Прежде всего – вода. Вода - основа всего живого, источник жизни, составляет более 70 % массы тела взрослого человека и требует к себе осторожного отношения. Она вымывает из клеток отработанные продукты обмена веществ, но если эта вода загрязнена, то она является носителем смертельной опасности. Исследуя феномен долгожительства, ученые установили, что практически все люди, прожившие долгую жизнь, большую часть её провели в одной местности и пользовались водой из одного источника, то есть водой постоянного солевого состава. Идеально всю жизнь пить одну и ту же воду, воду своих предков, запрограммированную в генах.В развитых странах около 92% населения употребляют в пищу покупную очищенную воду своего региона с постоянным процентным содержанием кальция и магния и других важнейших микроэлементов. Именно по концентрации кальция, магния, йода и фтора сильно отличаются друг от друга продающиеся в магазинах нашего города питьевые воды, начиная от почти дистиллированых, полученных по технологии обратного осмоса, и заканчивая очень жесткими, взятыми практически без последующей обработки и очистки из различных подземных источников. В то же время доказано, что уменьшение в питьевой воде магния - прямой путь к раку. Снижение процентного отношения кальция ведет к заболеваниям сердечно-сосудистой системы, способствует заболеваниям кариесом, уменьшает прочность конечностей. Еще сложнее обстоит с йодом и фтором. Кроме различий в содержании указанных микроэлементов иногородние воды, в том числе родниковые и колодезные воды на садовых участках и дачах, имеют свои особенности химического, микробиологического и органического состава, что требует от организма привыкания, а каждое привыкание - это далеко не полезное мероприятие для обмена веществ. В процессе очистки вода подвергается дозированному ультрафиолетовому облучению, специальной магнитной обработке, искусственной и природной многослойной сорбентной очистке, многократной сверхтонкой механической фильтрации. Ультрафиолетовое излучение убивает болезнетворные микроорганизмы. Воздействие магнитного поля на воду повышает её энергетический потенциал и ведет к уменьшению отложения солей. Омагниченная вода имеет повышенную биологическую активность и ускоряет ряд физико-химических процессов. Наиболее практичным и эффективным средством уничтожения бактерий и вирусов является насыщение питьевой воды йонами серебра. Серебро убивает более 650 микроорганизмов за 6 минут после попадания в желудок, при этом замечательна его способность воздействовать только на болезнетворных микробов не трогая собственную бакофлору организма.Второе, правильное, сбалансированное питание, при недостатке витаминов, их пополнение в виде готовых форм. Название "витамины" происходит от латинского слова - "vita", что в переводе означает жизнь. Витамины нужны всем: и взрослым, и малышам. Они необходимы для нормального течения обменных процессов, а также для роста и обновления тканей, они защищают организм от воздействия вредных факторов внешней среды.Не менее важное значение для организма имеют минералы. Минералы - это "строительный материал", без которого невозможно нормальное физическое и умственное развитие. Кроме того, их нехватка может привести к нарушениям способности организма усваивать некоторые витамины. Именно поэтому очень важен правильный баланс витаминов и минералов.В современных условиях потребность в этих веществах существенно возрастает. Плохая экология, ослабление защитных сил организма, психоэмоциональное напряжение, которому, к сожалению, подвержены и дети и взрослые, все это является причиной развития гиповитаминозов.Обеспечить достаточное поступление витаминов и минералов в организм пищей не всегда возможно. Во-первых, не все минералы усваиваются из продуктов на сто процентов. К примеру, калий может усваиваться на 70-90%, цинк - на 10-30%, а железо всего на 7-10%. Это зависит от разных факторов, например, от индивидуальных особенностей организма, продукта, способов его приготовления и методов хранения. Даже самые "витаминосодержащие" продукты теряют свои полезные свойства в процессе приготовления. Так, например, жарение, а особенно приготовление в микроволновой печи отнюдь не добавляют продуктам полезных качеств. Чтобы обеспечить полноценное физическое, психическое и умственное состояние, рекомендуется регулярный прием витаминных и минеральных комплексов. Однако при выборе препарата необходимо всегда посоветоваться с врачом.Литература1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;2. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;3. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.;4. Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химия // М.: Высш. шк., 1988, 400 с.
23