Биологическая роль меди. Метаболизм элемента в организме

В составе живых организмов современными методами химического анализа обнаружено 80 элементов периодической системы. По количественному составу их разделяют на три основные группы.

Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений, концентрация их колеблется от 60% до 0.001% массы тела (кислород, водород, углерод, азот, сера, магний, калий, натрий, железо и др.). Микроэлементы - преимущественно ионы тяжёлых металлов. Содержатся в организмах в количестве 0.001% - 0.000001% (марганец, бор, медь, молибден, цинк, йод, бром). Концентрация ультрамикроэлементов не превышает 0.000001%. Физиологическая роль их в организмах полностью ещё не выяснена. К этой группе относятся уран, радий, золото, ртуть, цезий, селен и много других редких элементов.

Медь встречается в организмах животных и растений, где она играет важную роль. Медь входит в состав некоторых ферментов (оксидаз). Установлено значение меди для процессов кроветворения, синтеза гемоглобина и цитохромов. Ежесуточно в организм человека с пищей поступает 2 мг меди. У растений медь входит в состав многих ферментов, которые участвуют в темновых реакциях фотосинтеза и других биосинтезах. У больных недостатком меди животных наблюдается анемия, потеря аппетита, заболевания сердца.

Рисунок 1. Область размеров наночастиц и кластеров металлов

О некоторых металлах (железо, медь, цинк и др.) известно, что они существуют в организме в его естественном состоянии как в виде ионов или включений в биологические молекулы, так и в виде кластеров или наночастиц. Также они могут образовываться в организме в результате превращений ионов металлов, если в тканях организма эти ионы находятся в избытке (рисунок 1).

Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, дыхательных пигментов, участвует в процессах обмена веществ, в тканевом дыхании и т.д. Медь имеет большое значение для поддержания нормальной структуры костей, хрящей, сухожилий (коллаген), эластичности стенок кровеносных сосудов, легочных альвеол, кожи (эластин). Медь входит в состав миелиновых оболочек нервов.
Действие меди на углеводный обмен проявляется посредством ускорения процессов окисления глюкозы, торможения распада гликогена в печени. Медь входит в состав многих важнейших ферментов, таких как цитохромоксидаза, тирозиназа, аскорбиназа и др. Медь присутствует в системе антиоксидантной защиты организма, являясь кофактором фермента супероксиддисмутазы, участвующей в нейтрализации свободных радикалов кислорода. Этот биоэлемент повышает устойчивость организма к некоторым инфекциям, связывает микробные токсины и усиливает действие антибиотиков. Медь обладает выраженным противовоспалительным свойством, смягчает проявления аутоиммунных заболеваний (ревматоидного артрита), способствует усвоению железа. Медь необходима для регулирования процессов снабжения клеток кислородом, образования гемоглобина и "созревания" эритроцитов. Она также способствует более полной утилизации организмом белков, углеводов и повышению активности инсулина. Медь не только участвует в процессе усвоения кислорода и многих ферментативных реакциях, но и увеличивает скорость кровообращения при интенсивной физической нагрузке.

Уже довольно давно было высказано предположение о способности церулоплазмина транспортировать в организме медь. В пользу этого говорит тот факт, что большая доля ионов меди в плазме крови входит в состав церулоплазмина. Последующие наблюдения поставили под сомнение справедливость этой гипотезы. До недавнего времени считалось, что за исключением доставки меди, поступающей в русло крови и печень (при котором медь связана с альбумином и с некоторыми низкомолекулярными соединениями) весь транспорт меди – между печенью и другими органами – осуществляется церулоплазмином. Однако, исследования на мышах с ацерулоплазминемией и применением 64Cu меток показали, что церулоплазмин не играет критической роли ни при абсорбции, ни при экскреции меди организмом. После поглощения ионов меди энтероцитами и поступления в кровяное русло, медь, находясь в комплексах с белками плазмы, пептидами и аминокислотами, поступает в гепатоциты с помощью медного транспортера. В цитоплазме гепатоцита медь распределяется между шаперонами, которые распределяют медь по клеточным депо, расходующим ее по мере синтеза медьсодержащих белков. Ионы меди встраиваются в церулоплазмин, что обеспечивает их экскрецию вместе с желчью и везикулярный траспорт ионов меди. В цитоплазме ионы меди находятся в комплексе с глутатионом, который препятствует токсическому действию активных форм кислорода. Механизмы секреции меди с желчью еще не разъяснены до конца. Вероятно, секреция осуществляется двумя путями: везикулярный транспорт, который можно ингибировать с помощью колхицина, и опосредованный канальцевым транспортером органических анионов транспорт медного комплекса.

Известно более 50 белков и ферментов, в которых найдена медь. Медь и железо в живых организмах тесно соединены. Медь служит ускорителем в окислительных реакциях клеток, способствует образованию гемоглобина, накоплению железа впрок. При дефиците железа в организме увеличивается количество меди. Это явление заметили у доноров. Медь, как и железо, содержится во всех органах, но больше всего металла в печени и головном мозге. Установлено, что в правом и левом полушариях содержание меди разное - у человека левое полушарие активнее, поэтому в ней больше биологически активных металлов. Больше всего меди содержится в тех центрах мозга, которые связаны с движением тела. При нарушениях функции мозга (шизофрении, эпилепсии) замечено снижение содержания меди в мозговой ткани. Медь выполняет и другие важные биологические функции в организме человека, связанные с действием витаминов групп В, аскорбиновой кислоты. Дефицит меди у нормальных здоровых людей не наблюдается даже в районах с низким содержанием солей меди в окружающей среде.

К продуктам с высоким содержанием меди относятся: баранина, свинина, мясо фазана, уток, гусей; кальмары, семга, субпродукты (печень, почки, сердце), морепродукты (устрицы, креветки, крабы, лобстер, морские гребешки, мидии), соевые продукты, орехи, грибы, сухофрукты (изюм, финики, чернослив), некоторые фрукты (авокадо), фасоль, горох, чечевица, пшено, ячмень, ржаной хлеб, свежий картофель, молочный шоколад, какао, минеральная вода. Богатые источники меди содержат 0,3–2 мг/100 г продукта. Это: морепродукты, орехи, семена (включая порошок какао), бобы, отруби, зародышевые части зерен, печень и мясо.

Большинство злаковых продуктов, продуктов, содержащих шоколад, а также фрукты и овощи (помидоры, бананы, виноград, картофель, сухофрукты), грибы, и большинство сортов мяса имеет промежуточные количества меди, 0,1–0,3 мг/100 г. Другие фрукты и овощи, мясо птицы, большинство видов рыб и молочные продукты содержат относительно низкие концентрации (менее 0,1 г мг/100 г) меди.

Питательные вещества (железо, цинк, аскорбиновая кислота и углеводы) влияют на биодоступность меди, если они включаются в диету в больших количествах. В большей или меньшей степени уровень содержания меди в рационе может, в свою очередь, влиять на метаболизм некоторых из этих питательных веществ. Дефицит меди изменяет метаболизм железа, а чрезмерное количество железа в форме неорганических солей приводит к симптомам дефицита меди. Истощение запасов меди наблюдалось у людей, длительно принимавших большое количество цинка.
Ежедневное добавление 1500 мг аскорбиновой кислоты приводило к снижению церулоплазмина. Абсорбции меди не мешает 600 мг аскорбиновой кислоты, но при этом наблюдается снижение церулоплазмина и предположительно может нарушаться его оксидазная активность.
В экспериментальных исследованиях выявлено, что тип потребляемых в рационе углеводов влияет на степень и тяжесть дефицита меди. Особенно неблагоприятны эффекты сахарозы и фруктозы.

Длительный прием антибиотиков приводят к симптомам дефицита меди: торможение всасывания железа, нарушение гемоглобинообразования, угнетение кроветворения, развитие микроцитарной гипохромной анемии. Лейкопения и нейтропения. Ухудшение деятельности сердечно-сосудистой системы, увеличение риска ишемической болезни сердца, образование аневризм стенок кровеносных сосудов, кардиопатии. Ухудшение состояния костной и соединительной ткани, нарушение минерализации костей, остеопороз, переломы костей. Угнетение функций иммунной системы. Усиление предрасположенности к бронхиальной астме, аллергодерматозам. Дегенерация миелиновых оболочек нервных клеток, увеличение риска развития рассеянного склероза. Нарушение пигментации волос, витилиго. Увеличение щитовидной железы (гипотиреоз, дефицит тироксина). Ускорение старения организма.

Явный дефицит меди сопровождается гипокупремией и низким уровнем церулоплазмина (до 30% от нормы и ниже). При умеренном дефиците меди (при потреблении ее в количестве, соответствующем нижней границе нормы в течение длительного периода) возможны следующие состояния: артрит, потеря пигментации, заболевания миокарда и неврологические симптомы.

Необходима медь и растениям, она влияет на процесс образования хлорофилла и предотвращает его разрушение. В организмах низших животных медь также играет важную роль. Итальянский ученый Б. Бизио в 1834 году определил, что голубой цвет лимфы у беспозвоночных животных зависит от содержания в ней меди. Как и железо в крови высших животных и человека, медь в организме беспозвоночных находится в комплексе с белком. Поэтому у кальмаров, раков, улиток и пауков медь выполняет такую же функцию, что и железо в гемоглобине высших живых существ. Еще в 1913 году ученик академика Вернадского биохимик и геолог Я. Самойлов высказал мнение, что в процессе развития живого организма кровь могла изменяться - медь постепенно бы заменила железо; гемоглобин крови имеет в 5 раз более высокую способность переносить кислород, чем белок, содержащий медь. Не выдержав конкуренции с железом как транспортировщика кислорода в крови высших животных, медь все же оставалась важным компонентом в процессе кровообразования, участвуя в формировании гемоглобина.