Классификации биогенных элементов

2. Элементы, создающие электролитную среду в крови, клеточных и межклеточных жидкостях. Это s -элементы: Na, K, Mg, Ca;
р -элемен-ты: Cl, S, C, O, P. Ионы подразделяются на простые (например, Cl^–, K⁺) и сложные (например, НСО₃^–, Н₂РО₄^–).

3. Микроэлементы, входящие в структуру и в активные центры ферментов, и, таким образом, необходимые для регулирования многих биохимических реакций. К ним относятся, главным образом
d -элементы: Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Mo и др., а также селен и йод.

78 элементов входят в состав человеческого организма, из них 6 – органогены, 26 – активно принимают участие в метаболизме (Ca, K, Na, Li, Cl, Mg, Fe, F, Al, Si, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Br, Sr, Mo, Cd, Sn, I, В, Pb), 46 – обнаружены в очень малых количествах, биогенная роль их не выяснена.

Десять металлов составляют группу «металлы жизни»: Na, K, Ca, Mg, Fe, Co, Mn, Zn, Cu, Mo. Эти элементы жизненно необходимы каждому человеку для его нормальной жизнедеятельности.

Микроэлементы Be, Ba, As, Pb, Cd, Hg, Bi, Tl образуют группу элементов-токсикантов.

Биологическая роль элементов во многом определяется местом, которое они занимают в ПСЭ Д.И. Менделеева, т.е. зависит от строения их атомов. С возрастанием атомной массы увеличивается токсичность элементов и уменьшается их процентное содержание в организме. Подавляющее большинство биогенных элементов – это элементы 2-го и 3-го периодов ПСЭ. Причем именно легкие атомы с небольшими размерами и небольшим зарядом ядра (исключение – железо, медь, цинк) чаще включается в жизненно важные системы. Это объясняется распространенностью той или иной разновидности атомов на Земле, а также особым сочетанием свойств, делающих элементы подходящими для роли, которую они играют в организме.

Живая материя – открытая система, существование которой возможно лишь при условии постоянного химического взаимодействия с внешней неживой природой. Поэтому важнейшие биогенные химические соединения образуют соединения, которые:

§ легко проникают в клетку;

§ отличаются структурным многообразием;

§ обладают большим запасом свободной энергии.

Основоположником биогеохимии – науки о роли химических элементов в динамике живого является выдающийся русский ученый
В.И. Вернадский. Одной из важнейших задач биогеохимии является изучение влияния геохимической среды на живые организмы.

Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) во время учебы в Петербургском университете слушал лекции Д.И. Менделеева, А.М. Бутлерова и других известных российских химиков. Вернадский создал новую науку - геохимию. Владимир Иванович первым отметил огромную роль живого вещества - всех растительных и животных организмов и микроорганизмов на Земле - в истории перемещения, концентрации и рассеяния химических элементов. Ученый обратил внимание, что некоторые организмы способны накапливать железо, кремний, кальций и другие химические элементы и могут участвовать в образовании месторождений их минералов, что микроорганизмы играют огромную роль в разрушении горных пород. Вернадский утверждал, что " разгадка жизни не может быть получена только путем изучения живого организма. Для ее разрешения надо обратиться и к его первоисточнику - к земной коре ";.

Изучая роль живых организмов в жизни нашей планеты, Вернадский пришел к выводу, что весь атмосферный кислород - это продукт жизнедеятельности зеленых растений. Владимир Иванович уделял исключительное внимание проблемам экологии. Он рассматривал глобальные экологические вопросы, влияющие на биосферу в целом. Более того, он создал само учение о биосфере - области активной жизни, охватывающей нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, в которой деятельность живых организмов (в том числе и человека) является фактором планетарного масштаба. Он считал, что биосфера под влиянием научных и производственных достижений постепенно переходит в новое состояние - сферу разума, или ноосферу. Решающим фактором развития этого состояния биосферы должна стать разумная деятельность человека, гармоничное взаимодействие природы и общества. Это возможно лишь при учете тесной взаимосвязи законов природы с законами мышления и социально-экономическими законами.

Биогенные элементы являются связующим звеном между живой и неживой компонентами экосистем. Практически все химические элементы (не только биогенные) в экосистемах циркулируют из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называют биогеохимическими циклами (термин ввел В.И. Вернадский). Неполная замкнутость этих циклов (т.е. неполная сбалансированность) является важнейшим свойством. Благодаря этому произошло накопление кислорода и азота в атмосфере, а также различных химических элементов и их соединений в литосфере. Однако следует иметь в виду, что доля вещества выходящего из биосферного цикла (длительность от десятков до нескольких тысяч лет) в геологический цикл (длительность в миллионы лет) в год весьма невелика.

Заболевания, связанные с недостатком или избытком каких-либо химических элементов в данном географическом районе называются эндемическими. Эндемические заболевания поражают человека, животных, растения.

Подобные эндемии известны для стронция (хондродистрофия), бора (борный энтерит), при недостатке иода развивается эндемический зоб, при недостатке кобальта – гипо- и авитаминоз витамина В₁₂, избыток стронция и бария приводят к уровской болезни (болезни Кашина-Бека), при избытке меди у овец описан эндемический цирроз печени, недостаток фтора вызывает кариес, а его избыток – флуороз. В Краснодарском крае и республике Адыгея в почве и воде недостаточное количество йода и фтора, что приводит к повышенному числу заболеваний эндемическим зобом и кариесом.

Из-за неравномерного распределения селена в различных регионах земного шара, в связи с экологическими факторами, в ряде стран выявляются болезни, связанные с его недостатком (Канада, США, Австралия, Германия, Франция, Китай, Финляндия и др.). Дефицит селена может вызвать заболевания различных органов и систем, в т.ч. онкологические, является основной причиной преждевременного старения и уменьшения продолжительности жизни. По данным исследований Института питания РАМН и результатам клинических исследований практически на всей территории России наблюдается дефицит микроэлемента селена. К наиболее селенодефицитным относят Свердловскую, Челябинскую, Тюменскую, Новосибирскую, Иркутскую, Читинскую, Магаданскую, Амурскую области, Красноярский, Хабаровский, Приморский края, Саха-Якутию, Коми, Марийскую республики, где содержание селена в суточном пищевом рационе человека составляет 30-60 мкг., при физиологической потребности 180-220 мкг.

В настоящее время достаточно весомое место в медицине и биологии занимает активно развивающееся учение о микроэлементах, т.е. нарушении баланса нормального содержания микроэлементов в организме человека. В России для обозначения всех патологических процессов, вызванных дефицитом, избытком или дисбалансом микроэлементов, введено понятие микроэлементозы и предложена их классификация (табл. 1).

Многолетнее изучение микроэлементозов как в России, так и за рубежом сформировало новое научное направление – микроэлементологигию (trace-elementology). Развитие заболеваний может быть вызвано как недостатком или избытком одного химического элемента (например, Cu, Zn) – мономикроэлементозы, так и соотношением многих химических элементов (например, Co-Cu, Sr-Ca, Ca-P и др.) – полимикроэлементозы.

На современном этапе исследователи выделяют геохимические факторы, способствующие развитию микроэлементозов I глобального действия, II локального действия, III индивидуального действия.

Таблица 1