Біохімічні елементи Біохімічний аналіз крові — що входить у дослідження та про що воно може розповісти? Мікроелементи, кислоти, вітаміни

Біохімічний аналіз крові (або звичніша для пацієнта «біохімія крові») використовуються на першому етапі діагностики будь-яких патологічних станів. Зазвичай приводом для його призначення є не зовсім добрі результати загального аналізу, щорічна диспансеризація населення (за наявності хронічних захворювань) або профілактичне обстеження осіб, які зайняті на шкідливих виробничих процесах.

Біохімічний аналіз крові (БАК) включає безліч різних показників, що визначають роботу того чи іншого органу, що призначається лікарем, хоча і сам пацієнт за власним бажанням може звернутися до платної лабораторії, щоб зробити біохімію. Значення норм традиційно використовуваних тестів на вміст холестерину, білірубіну, активності амінотрансфераз відомі багатьом людям, які не мають медичної освіти, але активно цікавляться своїм здоров'ям.

Таблиця норм біохімічного аналізу крові

Враховуючи багатогранність проведених досліджень у біохімічній лабораторії та високий інтерес пацієнтів до цієї теми, ми намагатимемося узагальнити дані тести, але обмежимося найпоширенішими показниками, назви, одиниці виміру та норми яких представимо у вигляді таблиці, максимально наближеної до офіційного бланку результатів ВАК.

Слід мати на увазі, що норми багатьох показників у дорослих і дітей відрізняються, а, крім цього, нерідко залежать від статевої приналежності, особливостей та можливостей того чи іншого організму Щоб таблиця не втомила читача, норми будуть наведені переважно для дорослих зі згадуванням значення показників у дітей ( до 14 років), чоловіків та жінок окремо, якщо в цьому з'явиться необхідність.

Лікар, вислухавши скарги хворого та спираючись на клінічні прояви, у пацієнта з , скоріш за все, в першу чергу досліджуватиме ліпідний спектр, а при підозрі на гепатит призначить білірубін, АлТ, АсТ і, можливо, лужну фосфатазу. І вже звичайно – перша ознака (надмірна спрага) є приводом для дослідження крові на цукор, а явні ознаки змусять зацікавитися залізом, феритином, транферрином та ОЖСС. При отриманні не дуже хороших результатів біохімічні дослідження можна продовжити, розширивши з допомогою додаткових аналізів (на розсуд лікаря).

Основні показники біохімічного аналізу крові

За зміненим судять про наявність патології, яку доведеться ще пошукати. Біохімічний аналіз, на відміну загальноклінічного, показує порушення функції певного органу результаті патологічних змін , які самою людиною ще розпізнані, тобто, на етапі прихованого перебігу хвороби. Крім цього, ВАК допомагає встановити, чи вистачає організму вітамінів, мікроелементів та інших необхідних речовин. Таким чином, до основних показників біохімічного аналізу крові відносять низку лабораторних тестів, які для зручності сприйняття слід розділити на групи.

Білки

Цю групу в ВАК представляють і білки, без яких життя організму неможливе, і специфічні білкові структури, що виникають з певних (екстремальних) ситуацій:

Ферменти

Ферменти на біохімічному аналізі крові частіше є і амілазою, що помітно підвищується при виникненні проблем з підшлунковою залозою. Тим часом, перелік ензимів, які можуть розповісти про стан організму, значно ширший:

Ліпідний спектр

Діагностика захворювань серцево-судинної системи, як правило, не обмежується лише призначенням загального холестерину, для кардіолога цей показник в ізольованому вигляді жодної особливої ​​інформації не несе. Для того щоб дізнатися, в якому стані знаходиться судинні стінки (а вони можуть бути зворушені), чи немає ознак розвитку або, боронь Боже, явно загрожує інфаркт міокарда, найчастіше використовують біохімічний тест, званий ліпідним спектром, який включає:

• загальний;
• низької щільності (ХС-ЛПНГ);
• Ліпопротеїни високої щільності (ХС-ЛПЗЩ);
• Коефіцієнт атерогенності, що розраховується за формулою, виходячи з цифрових значень показників, зазначених вище.

Здається, що немає особливої ​​потреби в черговий раз описувати показники, клінічне та біологічне значення всіх складових ліпідного діапазону, вони досить докладно викладені у відповідних темах, розміщених на нашому веб-сайті.

Вуглеводи

Напевно, найпоширенішим аналізом серед показників біохімії крові є . Цей тест додаткових коментарів не потребує, всі знають, що проводять його натщесерце, а показує він, чи не загрожує людині цукровий діабет. Хоча, слід зауважити, що існують інші причини підвищення даного показника, не пов'язані з наявністю грізного захворювання (травми, опіки, печінкова патологія, хвороби підшлункової залози, надмірне поїдання солодких продуктів).

Питання у молодих пацієнтів, які ще не знають у «цукровій» справі, може викликати проведення глюкозонавантажувального тіста (цукрова крива), яку призначають, переважно, виявлення прихованих форм діабету.

До порівняно нових тестів, покликаних визначити поведінку вуглеводів в організмі, можна віднести гліковані білки (або глікозильовані – що те саме):

1. Глікований альбумін (в ВАК він позначається як фруктозамін);
2. Глікозильовані ліпопротеїни.

Пігменти

- продукт розпаду, його підвищені показники характерні для широкого кола патологічних станів, тому для діагностики використовують три варіанти гемоглобіногенного пігменту:

• Білірубін загальний;
• Прямий або пов'язаний, кон'югований;
• Непрямий (вільний, незв'язаний, некон'югований).

Хвороби, пов'язані з підвищенням даного пігменту, можуть бути різного походження і характеру (від спадкової патології до несумісних переливань крові), тому діагноз більшою мірою ґрунтується в залежності від співвідношення фракцій білірубіну, а не від його загального значення. Найчастіше цей лабораторний тест допомагає діагностувати відхилення, причиною яких стало ураження печінки та жовчовивідних шляхів.

Низькомолекулярні азотисті речовини

Низькомокулярні азотисті речовини у біохімічному дослідженні крові представлені такими показниками:

1. , що дозволяє визначити стан багатьох органів і систем і розповісти про серйозні порушення їх функції (тяжкі ураження печінки та нирок, пухлини, цукровий діабет, зниження функції надниркових залоз).
2. , Що являє собою основний аналіз, що вказує на розвиток ниркової недостатності (уремічний синдром, мочекров'я). Доречним буде призначення сечовини визначення функціональних здібностей інших органів: печінки, серця, шлунково-кишкового тракту.

Мікроелементи, кислоти, вітаміни

У біохімічному дослідженні крові нерідко можна зустріти тести, що визначають рівень неорганічних речовин та органічних сполук:

• - Внутріклітинний катіон, основне місце зосередження якого - кісткова система. Значення показника змінюються при захворюваннях кісток, щитовидної залози, печінки та нирок. Кальцій є важливим діагностичним тестом виявлення патології розвитку кісткової системи у дітей;
• відноситься до основних позаклітинних катіонів, переносить воду, зміна концентрації натрію і вихід її за межі допустимих значень може спричинити серйозні патологічні стани;
• Калій (K) – зміни його рівня убік може зупиняти роботу серця в систолі, а убік – у діастолі (і те, й інше – погано);
• - Хімічний елемент, міцно пов'язаний в організмі з кальцієм, вірніше, з метаболізмом останнього;
• – і недолік (обвапнення артеріальних судин, зниження кровотоку в мікроциркуляторному руслі, розвиток артеріальної гіпертензії), та надлишок («магнезіальний наркоз», блокада серця, кома) тягне за собою порушення в організмі;
• може обійтися без коментарів, цей елемент є складовою гемоглобіну – звідси його головна роль;
• Хлор (Cl) – основний позаклітинний осмотично активний аніон плазми;
• Цинк (Zn) – недолік цинку затримує ріст та статевий розвиток, збільшує селезінку та печінку, сприяє виникненню анемії;
• Ціанокобаламін (вітамін);
• Аскорбінова кислота (вітамін С);
• Фолієва кислота;
• Кальцитріол (вітамін D) – дефіцит загальмовує утворення кісткової тканини, що викликає рахіт у дітей;
• (продукт обміну пуринових основ, що грає не останню роль формуванні такого захворювання, як подагра).

Центральне місце у лабораторній діагностиці

Деякі лабораторні тести, хоч і входять до розділу біохімії, стоять як би особняком і сприймаються окремо. Це стосується, наприклад, такого аналізу, як , який вивчає систему гемостазу та включає дослідження факторів згортання крові.

При описі ВАК багато лабораторних тестів (білки, ферменти, вітаміни) залишилися поза увагою, але, в основному, це аналізи, що призначаються в окремих випадках, тому вони навряд чи викличуть інтерес широкого кола читачів.

Крім цього, слід зазначити, що дослідження гормонів або визначення рівня імуноглобулінів (IgA, IgG, IgM) – це також біохімічний аналіз крові, який, проте, здійснюють переважно методом ІФА (імуноферментний аналіз) у лабораторіях дещо іншого профілю. Як правило, пацієнти зі звичною біохімією його якось не пов'язують, та й нам, торкаючись їх у цій темі, довелося б креслити громіздкі та незрозумілі таблиці. Втім, у крові людини можна визначити практично будь-яку речовину, яка присутня в ній постійно або випадково туди проникла, проте, щоб кожне з них розглянути досконало, довелося б писати велику наукову роботу.

Для базової оцінки стану здоров'я людини зазвичай використовуються такі показники:

1. Загальний білок;
2. Альбумін;
3. Сечовина;
4. Сечова кислота;
5. АсАТ;
6. АлАТ;
7. Глюкоза;
8. Білірубін (загальний та пов'язаний);
9. Холестерин загальний та ЛПВЩ;
10. Натрій;
11. Калій;
12. Залізо;
13. ОЖРС.

Озброївшись цим списком, пацієнт може вирушити до платної біохімічної лабораторії та здати біологічний матеріал для дослідження, а от із результатами потрібно звернутися до фахівця, який займеться розшифровкою біохімічного аналізу крові.

Різний підхід до однієї проблеми

Розшифровкою біохімічного аналізу крові, як і інших лабораторних тестів, займається лікар лабораторної діагностики або лікар. Тим не менш, можна зрозуміти інтерес і занепокоєння пацієнта, який отримав на руки відповідь з результатами дослідження власної крові. Не кожен може дочекатися, що скаже лікар: підвищені показники або, навпаки, вони знаходяться нижче допустимих значень. Лікар, звісно, ​​пояснить підкреслені червоним чи виділені іншим способом цифри та розповість, які хвороби можуть ховатися за відхиленнями від норми, проте консультація може бути завтра-післязавтра, а результати – ось вони: у власних руках.

Зважаючи на те, що пацієнти нині здебільшого люди досить грамотні й у питаннях медицини чимало «підковані», ми спробували разом розібратися в найпоширеніших варіантах ВАК, але знову ж таки – виключно з ознайомчою метою. У зв'язку з цим хочеться застерегти пацієнтів від самостійного розшифрування біохімічного аналізу крові, адже одні й самі величини ВАК можуть у різних людей говорити про різні хвороби.Для того, щоб у цьому розібратися, лікар залучає до діагностичного пошуку інші лабораторні тести, інструментальні методи, уточнює анамнез, призначає консультації суміжних фахівців. І тільки зібравши всі фактори воєдино, в тому числі і біохімічне дослідження крові, лікар виносить свій вердикт (встановлює діагноз).

Пацієнт до цього питання підходить інакше: не маючи спеціальних знань, оцінює результати однобоко: показник підвищений – отже, хворий (назву хвороби знайти нескладно). Однак це ще півбіди, гірше, коли, спираючись на результати аналізів та власні висновки, людина призначає собі лікування. Це недопустимо, оскільки можна згаяти час, якщо людина насправді хвора, або нашкодити своєму організму, використовуючи вичитані в сумнівних джерелах методи лікування. А от що потрібно дійсно знати та пам'ятати пацієнту – так це, як правильно підготуватися до біохімічного дослідження крові.

Щоб уникнути зайвих витрат

Біохімічні дослідження крові завжди проводяться натщесерце, оскільки вони дуже чутливі до різних речовин, що потрапили в організм напередодні аналізу (харчові продукти, фармацевтичні засоби). Особливо нестійкий до різних зовнішніх і внутрішніх впливів гормональний фон людини, тому вирушаючи в лабораторію, слід враховувати подібні нюанси і постаратися підготуватися належним чином (аналіз на гормони не дуже дешевий).

Для дослідження біохімії крові необхідно видобути її з ліктьової вени у кількості не менше 5 мл (при тестуванні сироватки на автоматичному аналізаторі можна обійтися меншою дозою). Людина, яка прийшла на аналіз, повинна бути свідомо обізнана та підготовлена ​​до важливої ​​процедури:

• Увечері дозволити собі легку вечерю, після якої можна лише пити чисту воду (алкоголь, чай, кава, соки до дозволених напоїв не належать);
• Скасувати вечірню пробіжку (виключити підвищену фізичну активність), якщо вона запланована за режимом;
• Відмовити у задоволенні прийняти гарячу ванну на ніч;
• Мужньо витримати 8-12-годинне голодування (для ліпідного спектру не рекомендується їсти 16 годин);
• Вранці не приймати таблетки, не заряджатися;
• Передчасно не нервувати, щоб у спокійному стані прибути до лабораторії.

В іншому випадку доведеться відвідати КДЛ повторно, що спричинить додаткові нервові та матеріальні витрати. Не потрібно особливо порівнювати біохімію із загальним аналізом крові, де вивчається клітинний склад. Там хоч і потрібна підготовка, але не така строга, з'їдений шматочок чогось смачного може не вплинути на результат. Тут по-іншому: біохімічні показники представлені метаболітами та біологічно активними речовинами, які не зможуть залишатися «байдужими» навіть до найменших змін усередині організму або навколо нього. Наприклад, одна цукерка, з'їдена на сніданок, викличе підвищення цукру в крові, викид інсуліну, активацію ферментів печінки та підшлункової залози тощо… Можливо, хтось не повірить, але будь-яка наша дія знайде відображення у біохімічному аналізі крові.

Відео: біохімічний аналіз крові у програмі "Про найголовніше"

Вступ.

Елементний склад організмів.

Молекули та іони, що входять до складу організму людини, їх зміст та функції.

рівні структурної організації хімічних сполук живих організмів.

Загальні закономірності обміну речовин та енергії в організмі людини.

Особливості перебігу обмінних процесів за різних станів організму.

Вступ.Чим займається біохімія?

Біохіміявивчає хімічні процеси, які у живих системах. Інакше висловлюючись, біохімія вивчає хімію життя. Наука ця щодо молода. Вона народилася у 20 столітті. Умовно курс біохімії можна поділити на три частини.

Загальна біохіміязаймається загальними закономірностями хімічного складу та обміну речовин різних живих істот від найдрібніших мікроорганізмів та кінчаючи людиною. Виявилося, що це закономірності багато в чому повторюються.

Приватна біохіміязаймається особливостями хімічних процесів, які у окремих груп живих істот. Наприклад, біохімічні процеси у рослин, тварин, грибів та мікроорганізмів мають свої особливості, причому, у ряді випадків дуже суттєві.

Функціональна біохіміязаймається особливостями біохімічних процесів які у окремих організмах, що з особливостями їх життя. Напрямок функціональної біохімії, що досліджує вплив фізичних вправ на організм спортсмена біохімією спорту абоспортивною біохімією.

Розвиток фізичної культури та спорту вимагає від спортсменів та тренерів хороших знань у галузі біохімії. Це з тим, що розуміння того, як працює організм на хімічному, молекулярному рівні важко сподіватися успіх у сучасному спорті. Багато методик тренування та відновлення базуються в наш час саме на глибокому розумінні того, як працює організм на субклітинному та молекулярному рівні. Без глибокого розуміння біохімічних процесів неможливо боротися і допінгом – злом, що може занапастити спорт.

1. Елементний склад організмів

Організм людини включає хімічні елементи, які трапляються також і в неживій природі. Однак за кількісним складом хімічних елементів живі організми суттєво відрізняються від неживої природи. Так, наприклад, кількісний вміст заліза та кремнію в неживій природі істотно вищий, ніж у живих організмах. Характерною відмінністю живих організмів є високий вміст вуглецю, що з переважанням у яких органічних сполук.

Людський організм складається із структурних елементів: С-вуглець, О-кисень, Н-водень, N-азот, Ca-кальцій, Mg-магній, Na-натрій, K-калій, S-сірка, P-фосфор, Cl-хлор . Наприклад, Н 2 Про, молекула води, складається з двох атомів водню та одного атома кисню. 70-80% організму людини складається із води. Однак рідини в тілі людини, в його клітинах, його крові включають, крім води, 0,9% кухонної солі NaCl, молекула якої складається з натрію та хлору. Усі біохімічні процеси відбуваються саме у 0,9% водному розчині кухонної солі, який називають фізіологічним розчином. Тому навіть ліки для уколів та крапельниць розчиняють у фізіологічному розчині.

В людини міститься близько 3 кг мінеральних речовин, що становить 4% маси тіла. Мінеральний склад організму дуже різноманітний і у ньому можна знайти майже всю таблицю Менделєєва.

Мінеральні речовини розподілені в організмі вкрай нерівномірно. У крові, м'язах, внутрішніх органах вміст мінеральних речовин низький – близько 1%. А ось у кістках частку мінеральних речовин припадає близько половини маси. Емаль зубів на 98% складається із мінеральних речовин.

Форми існування мінеральних речовин у організмі також різноманітні.

По-перше, у кістках вони зустрічаються у формі нерозчинних солей.

По-друге, мінеральні елементи можуть входити до складу органічних сполук.

По-третє, мінеральні елементи можуть бути в організмі як іонів.

Добова потреба у мінеральних речовинах невелика і надходять вони в організм із їжею. Їх кількості зазвичай у їжі достатньо. Однак у поодиноких випадках їх може бракувати. Наприклад, у деяких місцевостях не вистачає йоду, в інших надлишок магнію та кальцію.

Виводяться з організму мінеральні речовини трьома шляхами у складі сечі, кишечником – у складі калу і потім – шкірою.

Біологічна роль цих речовин дуже різноманітна.

В організмі людини та тварин виявлено близько 90 елементів таблиці Д.І. Менделєєва. Біогенні хімічні елементи– хімічні елементи, присутні у живих організмах. За кількісним змістом їх прийнято поділяти на кілька груп:

Макроелементи.

Мікроелементи.

Ультрамікроелементи.

Якщо масова частка елемента в організмі перевищує 10 -2 %, його слід вважати макроелементом. Частка мікроелементівв організмі становить 10-3-10-5%. Якщо вміст елемента нижче 10 -5 %, його вважають ультрамікроелементом. Звісно, ​​така градація умовна. Нею магній потрапляє у проміжну область між макро- і мікроелементами.

Мінеральні речовини в організмі людини перебувають у різному стані. Відповідно до цього проявляється і їхня дія.

Одназ форм - коли вони є складовою органічних речовин. Так, наприклад, сірка входить до складу амінокислот цистеїну і метіоніну, залізо є складовою гемоглобіну, йод - гормону щитовидної залози - тироксину, фосфор присутній у різноманітних органічних сполуках - ATФ, АДФ, інших нуклеотидах, нуклеїнових кислотах, фосфатини , різних ефірах з гексозами, тріозами і т.д.

Другаформа - це міцні нерозчинні відкладення солей вуглекислого, фосфорнокислого кальцію і магнію, фтористих та інших солей у твердих тканинах - у кістках, зубах, рогах, копитах, пер і т. д. Вони складають їх мінеральний кістяк.

І третяформа - мінеральні речовини, розчинені у тканинних рідинах. Ця група мінеральних речовин забезпечує низку умов, необхідні збереження процесів життєдіяльності організму. До цих умов належать осмотичний тиск, реакція середовища, колоїдний стан білків, стан нервової системи і т. д. Ці умови в свою чергу залежать від кількості мінеральних елементів, їх співвідношення та якісних особливостей останніх.

Все різноманіття речовин тваринного та рослинного світу побудовано з порівняно невеликої кількості вихідних складових частин. Це хімічні елементи та хімічні речовини. Зі 107 відомих хімічних елементів у живих організмах виявлено 60, однак у концентраціях, що дозволяють не вважати цей елемент випадковою домішкою, лише 22. Усі хімічні елементи, що зустрічаються в живих організмах, відповідно до їх концентрації в клітинах ділять на три групи:

Макроелементи: C, H, O, N, P, S, Cl, Na, K, Ca.

На частку припадає понад 0,01%. Кількість макроелементів показано у таблиці; Мікроелементи: Fe, Mg, Zn, Cu, Co, J, Br, V, F, Mo, Al, Si та ін.

На частку припадає від 0,01 до 0,000001%;

Ультрамікроелементи: Hg, Au, Ag, Ra та ін На їхню частку припадає менше 0,000001%.

Макроелементи становлять близько 99,9% маси клітини і можуть бути поділені на дві групи. Головні біогенні хімічні елементи (кисень, вуглець, водень, азот) становлять 98% маси всіх живих клітин. Вони становлять основу органічних сполук, а також утворюють воду, яка є у всіх живих системах у значних кількостях. До другої групи макроелементів входятьфосфор, калій, сірка, хлор, кальцій, магній, натрій, залізо, у сумі 1,9%. Вони дуже важливі для забезпечення життєдіяльності організмів, без них неможливе існування будь-яких живих істот.

Натрій та калійперебувають у організмі як іонів. Іони натрію містяться поза клітинами, а іони калію зосереджені всередині клітини. Ці іони відіграють важливу роль у створенні осмотичного тиску та клітинного потенціалу, які необхідні для нормальної роботи міокарда.

Калій. Близько 90% калію знаходиться усередині клітин. Він разом із іншими солями забезпечує осмотичний тиск; бере участь у передачі нервових імпульсів; регуляції водно-сольового обміну; сприяє виведенню води, отже, і шлаків з організму; підтримує кислотно-лужну рівновагу внутрішнього середовища організму;бере участь у регуляції діяльності серця та інших органів; необхідний функціонування низки ферментів.

Калій добре всмоктується з кишечника, яке надлишок швидко видаляється з організму із сечею. Добова потреба у калії дорослої людини становить 2000-4000 мг. Вона збільшується при рясному потовиділенні, при вживанні сечогінних засобів, захворюваннях серця та печінки. Калій не є дефіцитним нутрієнтом у харчуванні, і при різноманітному харчуванні недостатність калію не виникає. Дефіцит калію в організмі виникає при порушенні функції нервово-м'язової та серцево-судинної систем, сонливості, зниженні артеріального тиску, порушенні ритму серцевої діяльності. У разі призначається калієва дієта.

Більшість калію надходить у організм із рослинними продуктами. Багатими джерелами його є урюк, чорнослив, родзинки, шпинат, морська капуста, квасоля, горох, картопля, інші овочі та плоди (100 - 600 мг/100 г продукту). Менше калію міститься в сметані, рисі, хлібі з борошна найвищого гатунку (100 - 200 мг/100 г).

Натрійміститься у всіх тканинах та біологічних рідинах організму. Він бере участь у підтримці осмотичного тиску в тканинних рідинах та крові; у передачі нервових імпульсів; регуляції кислотно-лужної рівноваги, водно-сольового обміну; підвищує активність травних ферментів.

Кальцій та магнійзнаходяться в основному в відсталій тканині у вигляді нерозчинних солей. Ці солі надають кісткам твердості. Крім того, в іонному вигляді вони відіграють важливу роль у скороченні м'язів.

Кальцій.Це основний структурний компонент кісток та зубів; входить до складу ядер клітин, клітинних та тканинних рідин, необхідний для згортання крові. Кальцій утворює сполуки з білками, фосфоліпідами, органічними кислотами; бере участь у регуляції проникності клітинних мембран, процесах передачі нервових імпульсів, в молекулярному механізмі м'язових скорочень, контролює активність низки ферментів. Таким чином, кальцій виконує не тільки пластичні функції, а й впливає на багато біохімічних та фізіологічних процесів в організмі.

Кальцій відноситься до труднозасвоюваних елементів. З'єднання кальцію, що надходять в організм людини з їжею, практично не розчиняються у воді. Лужне середовище товстого кишечника сприяє утворенню важкозасвоюваних сполук кальцію, і лише вплив жовчних кислот забезпечує його всмоктування.

Асиміляція кальцію тканинами залежить не тільки від вмісту його в продуктах, а й від співвідношення його з іншими компонентами їжі і, в першу чергу, жирами, магнієм, фосфором, білками. При надлишку жирів виникає конкуренція за жовчні кислоти і значної частини кальцію виводиться з організму через товстий кишечник. На всмоктування кальцію негативно позначається надлишок магнію; рекомендоване співвідношення цих елементів становить 1:0,5. Найбільш міцні кістки виходять при співвідношенні Ca:P - 1:1,7. Приблизно таке співвідношення в полуниці та волоських горіхах. . Кальцій надходить у стінки кровоносних судин, що зумовлює їх ламкість, а також тканини нирок, що може сприяти виникненню нирково-кам'яної хвороби. Для дорослих рекомендовано співвідношення кальцію та фосфору в їжі 1:1,5. Важкість дотримання такого співвідношення зумовлена ​​тим, що більшість продуктів, що широко споживаються, значно багатша фосфором, ніж кальцієм. Негативний вплив на засвоєння кальцію має фітин і щавлева кислота, що містяться в ряді рослинних продуктів. Ці сполуки утворюють із кальцієм нерозчинні солі.

Добова потреба у кальції дорослої людини становить 800 мг, а у дітей та підлітків – 1000 мг і більше.

При недостатньому споживанні кальцію або порушення всмоктування його в організмі (при нестачі вітаміну D) розвивається стан кальцієвого дефіциту. Спостерігається підвищений виведення його з кісток та зубів. У дорослих розвивається остеопороз – демінералізація кісткової тканини, у дітей порушується становлення скелета, розвивається рахіт.

Кращими джерелами кальцію є молоко та молочні продукти, різні сири та сир (100-1000 мг/100 г продукту), зелена цибуля, петрушка, квасоля. Значно менше кальцію міститься у яйцях, м'ясі, рибі, овочах, фруктах, ягодах (20-40 мг/100 г продукту).

Магній.,

При нестачі магнію порушується засвоєння їжі, затримується ріст, у стінках судин відкладається кальцій, розвивається низка інших патологічних явищ. У людини нестача іонів магнію, зумовлена ​​характером харчування, вкрай малоймовірна. Однак великі втрати цього елемента можуть відбуватися при діареї

Фосфорграє у організмі значної ролі. Він є складовою солей, що входять у кістки. Фосфорна кислота відіграє важливу роль в енергетичному обміні. фосфор.Фосфор входить до складу всіх тканин організму, особливо м'язів та мозку. Цей елемент бере участь у всіх процесах життєдіяльності організму : синтез і розщеплення речовин у клітинах; регуляції обміну речовин; входить до складу нуклеїнових кислот та ряду ферментів; необхідний освіти АТФ.

У тканинах організму та харчових продуктах фосфор міститься у вигляді фосфорної кислоти та її органічних сполук (фосфатів). Основна його маса знаходиться в кістковій тканині у вигляді фосфорнокислого кальцію, решта фосфору входить до складу м'яких тканин і рідин. У м'язах відбувається найінтенсивніший обмін сполук фосфору. Фосфорна кислота бере участь у побудові молекул багатьох ферментів, нуклеїнових кислот тощо.

При тривалому дефіциті фосфору у харчуванні організм використовує власний фосфор із кісткової тканини. Це призводить до демінералізації кісток та порушення їх структури – розрідження. При збіднінні організму фосфором знижується розумова та фізична працездатність, відзначається втрата апетиту, апатія.

Добова потреба у фосфорі для дорослих становить 1200 мг. Вона зростає при великих фізичних чи розумових навантаженнях, деяких захворюваннях.

Велика кількість фосфору міститься у продуктах тваринного походження, особливо в печінці, ікрі, а також у зернових та бобових. Його вміст у цих продуктах становить від 100 до 500 мг на 100 г продукту. Багатим джерелом фосфору є крупи (вівсяна, перлова), у яких міститься 300-350 мг фосфору/100 р. Проте з рослинних продуктів сполуки фосфору засвоюються гірше, ніж за споживанні їжі тваринного походження.

Сірка.Значення цього елемента в харчуванні визначається, в першу чергу, тим, що він входить до складу білків у вигляді сірковмісних амінокислот (метіоніну та цистину), а також є складовою деяких гормонів і вітамінів.

Як компонент сірковмісних амінокислот сірка бере участь у процесах білкового обміну, причому потреба в ній різко зростає в період вагітності та росту організму, що супроводжуються активним включенням білків у тканини, що утворюються, а також при запальних процесах.Сірковмісні амінокислоти, особливо в поєднанні з вітамінами С і Е, мають виражену антиоксидантну дію. Поряд з цинком та кремнієм сірка визначає функціональний стан волосся та шкіри.

Хлор.Цей елемент бере участь у освіті шлункового соку, формуванні плазми, активує ряд ферментів. Цей нутрієнт легко всмоктується з кишківника в кров. Цікава здатність хлору відкладатися в шкірі, затримуватися в організмі при надмірному надходженні, виділятися з згодом у значних кількостях. Виділення хлору з організму відбувається головним чином із сечею (90%) та згодом.

Порушення в обміні хлору ведуть до розвитку набряків, недостатньої секреції шлункового соку та ін. Різке зменшення вмісту хлору в організмі може призвести до тяжкого стану, аж до смертельного наслідку. Підвищення його концентрації в крові настає при зневодненні організму, а також при порушенні функції виділення нирок.

Добова потреба у хлорі становить приблизно 5000 мг. Хлор надходить в організм людини переважно у вигляді хлористого натрію при додаванні його в їжу.

Магній.Цей елемент необхідний для активності ряду ключових ферментів , що забезпечують метаболізм організму. Магній бере участь у підтримці нормальної функції нервової системи та м'язів серця; має судинорозширювальну дію; стимулює жовчовиділення; підвищує рухову активність кишківника, що сприяє виведенню шлаків з організму (у тому числі холестерину).

Засвоєнню магнію заважають наявність фітину та надлишок жирів та кальцію в їжі. Щоденна потреба у магнії точно не визначена; вважають, що доза 200-300 мг/сут запобігає прояву недостатності (передбачається, що всмоктується близько 30% магнію).

За нестачі магнію порушується засвоєння їжі, затримується ріст, у стінках судин відкладається кальцій.

Залізовходить до складу гема,складової частини гемоглобіну.Цей елемент необхідний біосинтезу сполук, що забезпечують дихання, кровотворення; він бере участь в імунобіологічних та окислювально-відновних реакціях; входить до складу цитоплазми, клітинних ядер та ряду ферментів.

Асиміляції заліза перешкоджає щавлева кислота та фітин. Для засвоєння цього нутрієнта необхідний вітамін В12. Засвоєнню заліза сприяє також аскорбінова кислота, оскільки залізо всмоктується як двовалентного іона.

Нестача заліза в організмі може призвести до розвитку анемії, порушуються газообмін, клітинне дихання, тобто фундаментальні процеси, що забезпечують життя. Розвитку залізодефіцитних станів сприяють: недостатнє надходження в організм заліза у засвоюваній формі, зниження секреторної активності шлунка, дефіцит вітамінів (особливо В12, фолієвої та аскорбінової кислот) та ряд захворювань, що викликають крововтрати. Потреба дорослої людини у залозі (14 мг/сут) з надлишком задовольняється звичайним раціоном. Однак при використанні хліба з борошна тонкого помелу, що містить мало заліза, у міських жителів дуже часто спостерігається дефіцит заліза. При цьому слід врахувати, що зернові продукти, багаті на фосфати і фітін, утворюють із залізом важкорозчинні сполуки і знижують його асиміляцію організмом.

Залізо – поширений елемент. Він міститься у субпродуктах, м'ясі, яйцях, квасолі, овочах, ягодах. Однак у легкозасвоюваній формі залізо міститься лише у м'ясних продуктах, печінці (до 2000 мг/100 г продукту), яєчному жовтку.

Мікроелементи (Марганець, мідь, цинк, кобальт, нікель, йод, фтор) становлять менше 0,1% від маси живих організмів. Однак ці елементи необхідні життя організмів. Мікроелементимістяться у надмалих концентраціях. Їхня потреба на добу становить мікрограми, тобто мільйонні частки грама. З них є незамінні та умовно незамінні.

Незамінні: Ag-срібло, Co-кобальт, Cu-мідь, Cr-хром, F-фтор, Fe – залізо, I-йод, Li – літій, Mn – марганець, Mo – молібден, Ni – нікель, Se – селен, Si – кремній, V – ванадій, Zn – цинк.

Умовно незамінні: B – бір, Br – бром.

Можливо незамінні: Al – алюміній, As – миш'як, Сd – кадмій, Pb – свинець, Rb – рубідій.

Марганецьсприятливо впливає на нервову систему, сприяє виробленню нейромедіаторів - речовин, відповідальних за передачу імпульсів між волокнами нервової тканини, також сприяє нормальному розвитку кісток, зміцнює імунну систему, сприяє нормальному перебігу травного процесу інсулінового та жирового обмінів. До того ж процес обміну вітамінів А, С і групи В може нормально відбуватися тільки в тому випадку, коли в організмі присутня достатня кількість марганцю. Завдяки марганцю забезпечується нормальний процес утворення та росту клітин, зростання та відновлення хрящів, найшвидше загоєння тканин, хороша робота головного мозку та правильний обмін речовин, має відмінні антиоксидантні властивості. Цей елемент регулює баланс цукру в крові, а також сприяє нормальному процесу утворення молока у жінок, що годують. Оптимальний вміст марганцю можна забезпечити завдяки вживанню сирих овочів, фруктів та зелені.

Роль міді в організмівеличезна. Насамперед, вона бере активну участь у побудові багатьох необхідних нам білків та ферментів, а також у процесах росту та розвитку клітин та тканин. Мідь необхідна для нормального процесу кровотворення та роботи імунної системи. Мідь- Входить до складу окисних ферментів, що беруть участь у синтезі цитохромів.

Цинк- входить до складу ферментів, що беруть участь у спиртовому бродінні, до складу інсуліну

Кобальтвпливає на фізіологічний та патофізіологічний стан організму людини. Є відомості про вплив його на метаболізм вуглеводів та ліпідів, на функцію щитовидної залози, стан міокарда. До складу вітаміну В12 входить кобальт.

Для організму людини та тварин нікель– необхідний поживний елемент, але вчені трохи знають про його біологічну роль. У тварин та рослинних організмах він бере участь у ферментативних реакціях, а у птахів накопичується у пір'ї. У нас він міститься в печінці та нирках, підшлунковій залозі, гіпофізі та легенях. Нікель впливає на процеси кровотворення, зберігає структуру нуклеїнових кислот та клітинних мембран; бере участь в обміні вітамінів С та В12, кальцію та інших речовин.

Йоддуже важливий для нормального зростання та розвитку дітей та підлітків: він бере участь в утворенні кістково-хрящової тканини, синтезі білка, стимулює розумові здібності, покращує працездатність та зменшує стомлюваність. В організмі йод бере участь у процесі синтезу тироксину та трийодтироніну – гормонів, необхідних для нормальної роботи щитовидної залози.

Фторнеобхідний формування емалі зубів, йод входить до складу гормонів щитовидної залози, кобальт є складовою вітаміну В12.

До ультрамікроелементів відносяться велика кількість хімічних елементів (літій, кремній, олово, селен, титан, ртуть, золото, срібло та багато інших), які сумарно складають менше 0,01% маси клітини. Для низки ультрамікроелементів встановлено їх біологічне значення, для інших немає. Можливе накопичення деяких із них у клітинах і тканинах людини та інших організмів є випадковим та пов'язане з антропогенним забрудненням навколишнього середовища. З іншого боку, можливо, що біологічне значення низки ультрамікроелементів ще не виявлено.

Літійсприяє зниженню нервової збудливості, покращує загальний стан при захворюваннях нервової системи, має антиалергійну та антианафілактичну дію, має певний вплив на нейроендокринні процеси, бере участь у вуглеводному та ліпідному обмінах, підвищує імунітет, нейтралізує дію радіації та солей важких металів на організм, а також дію етилового спирту.

Кремнійбере участь у засвоєнні організмом понад 70 мінеральних солей та вітамінів, сприяє засвоєнню кальцію та росту кісток, попереджає остеопороз, стимулює імунну систему. Кремній необхідний для здоров'я волосся, покращує стан нігтів та шкіри, зміцнює сполучні тканини та судини, знижує ризик серцево-судинних захворювань, зміцнює суглоби – хрящі та сухожилля.

Відомо що оловопокращує процеси зростання, є одним із складових шлункового ферменту гастрину, впливає на активність флавінових ферментів (біокаталізатори деяких окисно-відновних реакцій в організмі), відіграє істотну роль у правильному розвитку кісткових тканин.

Селен- бере участь у регуляторних процесах організму. Селен, входячи до складу ферменту глютатіонпероксидази, перешкоджає осіданню тромбів на стінках судин, завдяки чому є антиоксидантом і перешкоджає розвитку атеросклерозу. Нещодавно з'ясовано, що нестача селену призводить до розвитку онкологічних захворювань.

Титанє постійною складовою організму і виконує певні життєво важливі функції: підвищує еритропоез, каталізує синтез гемоглобіну, імуногенез, стимулюють фагоцитоз і активують реакції клітинного та гуморального імунітету.

Ртутьмає певний біотичний ефект і надає стимулюючу дію на процеси життєдіяльності (у кількостях, що відповідають фізіологічним, тобто нормальним для людини, концентраціям). Є відомості про присутність ртуті в ядерній фракції живих клітин та про значення цього металу у реалізації інформації, закладеної в ДНК, та її передачу за допомогою транспортних РНК. Простіше кажучи, повне видалення ртуті з організму, мабуть, небажане, і ті самі 13 мг, «закладені» в нас природою, повинні завжди утримуватися в людині (що, до речі, цілком узгоджується зі згаданим вище законом Кларка-Вернадського про загальне розсіювання елементів) .

ЗолотоісріблоНадають бактерицидну дію Багато мікроелементів та ультрамікроелементів у великих кількостях токсичні для людини.

Недолік чи надлишок у харчуванні якихось мінеральних речовин викликає порушення обміну білків, жирів, вуглеводів, вітамінів, що призводить до розвитку низки захворювань. Найбільш поширеним наслідком невідповідності у раціоні кількості кальцію та фосфору є карієс зубів, розрідження кісткової тканини. При нестачі фтору в питній воді руйнується зубна емаль, дефіцит йоду в їжі та воді призводить до захворювань щитовидної залози. Таким чином, мінеральні речовини дуже важливі для усунення та профілактики низки захворювань.

У наведених таблицях наведено характерні (типові) симптоми при дефіциті різних хімічних елементів в організмі людини:

Відповідно до рекомендації дієтологічної комісії Національної академії США щоденне надходження хімічних елементів з їжею має перебувати на певному рівні (табл. 5.2). Стільки ж хімічних елементів має щодобово виводитися з організму, оскільки їх вміст у ньому перебуває у відносній постійності.

Роль мінеральних речовин у організмі людини надзвичайно різноманітна, як і раніше, що вони є обов'язковим компонентом харчування. Мінеральні речовини містяться в протоплазмі та біологічних рідинах, відіграють основну роль у забезпеченні сталості осмотичного тиску, що є необхідною умовою для нормальної життєдіяльності клітин та тканин. Вони входять до складу складних органічних сполук (наприклад, гемоглобіну, гормонів, ферментів), є пластичним матеріалом для побудови кісткової та зубної тканини. У вигляді іонів мінеральні речовини беруть участь у передачі нервових імпульсів, забезпечують згортання крові та інші фізіологічні процеси організму.

Іони макро-імікроелементівактивно транспортуються ферментамичерез клітинну мембрану. Тільки у складі ферментів іони макро- та мікроелементи можуть виконувати свою функцію. Тому харчові продукти та лікарські трави краще хіміотерапевтичних препаратів для лікування гіпомікроелементозу. До того ж, зважаючи на те, що з продуктів і рослин людський організм бере мікроелементи рівно стільки, скільки йому потрібно, це допомагає уникнути гіпермікроелементозу. А перевищення макро- та мікроелементів в організмі буває набагато небезпечнішим, ніж їх недолік. При застосуванні хімічних препаратів кальцію типовим є відкладення кальцію в молочних залозах, жовчному міхурі, печінці, нирках, загалом скрізь, де завгодно, але не в кістках.

Ферменти- це дрібні частинки, які активно забезпечують роботу всіх функціональних систем. Вони виробляють травлення, наприклад, амілаза (діастаза) слини перетравлює крохмалі картоплі та злаків, ліпаза підшлункової залози перетравлює жири, хімотрипсин перетравлює білки і т.д. Крім того, ферменти «перетягують» потрібні речовини через клітинні мембрани, наприклад, у нирках здійснюється активний транспорт іонів кальцію, натрію, хлору та інших, а отже, вони регулюють кальцієвий склад кісток та артеріальний тиск. Фермент лізоциму «вбиває» шкідливі мікроби. Фермент цитохром Р-450 бере участь у багатьох біохімічних реакціях, наприклад, розкладає хімічні ліки і виводить їх із клітин, окислює холестерин до стероїдних гормонів (тобто виробляє гормони) тощо. Цих маленьких роботяг, - ферментів, - в організмі тисячі видів, і немає жодних біохімічних та фізіологічних перетворень, у яких вони б не брали участь. Як і функціональний елемент мікроциркуляції органу, так і фермент- це первинний елемент, першооснова будь-яких процесів, і це має завжди враховуватись у лікуванні хвороби. Дуже важливо знати, що в хімічних ліках немає ферментів, а в травах та продуктах вони є. Наприклад, коріння хрону містить фермент лізоцим. Крім того, ферменти є в меді, наприклад інвертаза, діастаза, каталаза, фосфатаза, пероксидаза, ліпаза і т.д. Мед небажано розтоплювати і нагрівати вище 38 0 тому що тоді ферменти розпадаються.

В склад ферментувходить декілька молекул білка, з'єднаних між собою і що представляють у мікросвіті величезний розмір і дві дрібні частини, одна з них - вітамін, друга - мікроелемент. Саме тому лікування травами краще хімії, що трава містить і білки, і вітаміни, і мікроелементи, - цей гармонійний склад ферменту створений Творцем. У натуральних продуктах, наприклад, у меді, містяться всі 22 незамінні амінокислоти, які потрібні для синтезу білків. У меді є макроелементи, всі незамінні мікроелементи крім фтору, йоду і селену, і навіть майже всі умовно незамінні мікроелементи. І навпаки, хімічні ліки, що виробляються промисловістю, особливо незбагненним чином пов'язані з батьком промисловості Каїном. І наслідком такого зв'язку є позбавлення фармакологічних засобів, що складаються з однієї хімічної формули, всього багатства світу, створеного Творцем, однією з маленьких працьовитих першочасток якого є фермент.

Частина III.БІОГЕОХІМІЯ ТА ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Глава 10. БІОГЕОХІМІЯ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Частина III.БІОГЕОХІМІЯ ТА ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ. Глава 10. БІОГЕОХІМІЯ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Хімію у її сучасному стані можна назвати вченням про елементи.

Д. І. Менделєєв

10.1. ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ У НАВКОЛИШНІЙ

СЕРЕД ТА В ОРГАНІЗМІ. ПОНЯТТЯ ПРО БІОГЕОХІМІЮ, БІОСФЕРУ

І ГЕОХІМІЧНОЇ ЕКОЛОГІЇ.

ПОРОГОВІ КОНЦЕНТРАЦІЇ ЕЛЕМЕНТІВ. МІКРО- І МАКРОЕЛЕМЕНТНИЙ ГОМЕОСТАЗ

У природних умовах на нашій планеті в більш менш відчутних кількостях виявлено 92 елементи. На стику хімії, біології та геології виникла нова наука – біогеохімія. «Біогеохімія - інтегрована наука про елементний склад живої речовини та її роль у міграції, трансформації та концентруванні хімічних елементів та їх сполук у біосфері, їх біологічної ролі.Вона є пріоритетним науковим напрямом у зв'язку з техногенною еволюцією планети та пошуками адекватних шляхів взаємодії людини та природи». Частина земної оболонки, перероблена людиною, природою та космічними випромінюваннями та пристосована до життя, називають біосферою.

В.І. Вернадський у роботі «Біосфера і ноосфера» писав: «...Біосферу визначають як область життя, проте більш точно її можна визначити як оболонку, в якій можуть відбуватися зміни, викликані сонячним випромінюванням. Речовина, що становить біосферу, неоднорідна, і ми розрізняємо відсталу та живу речовину. Доскона речовина переважає по масі. Відбувається безперервна міграція атомів із закісної речовини біосфери живе і назад». «Жива речовина охоплює та регулює в галузі біосфери всі або майже всі хімічні елементи. Вони всі потрібні для життя і всі потрапляють до складу

організму невипадково. Немає особливих, життя властивих елементів. Є панівні» (Вернадський В.І., 1938). "Життя є планетне явище", яке визначає головним чином хімізм, міграцію всіх хімічних елементів верхньої земної оболонки біосфери. Багато десятків і сотні тисяч хімічних реакцій, що відбуваються в живому тілі, не тільки гармонійно поєднуються в єдиному порядку, але весь цей порядок закономірно обумовлює самозбереження та самовідтворення всієї життєвої системи в цілому в умовах зовнішнього середовища, що вражає відповідно до цих умов. В.В. Ковальський (1982), розвиваючи ідеї В.І. Вернадського – «організм і середовище» (зокрема біогеохімічне), зазначив, що організм і середовище, настільки залежні явища в біосфері, що неможливо розглядати окремо еволюцію життя та середовища. Це єдина система, в якій у процесах її існування виробляються характерні особливості в організмів до середовища, що включаються до фенотипних реакцій, що збагачують систему «життя - середовище».

У цій системі встановлюються по відношенню до геохімічних факторів середовища глибокі метаболічні зв'язки. Прикладом може служити виділення в ґрунтове середовище органічних речовин, що дають з хімічними елементами середовища поза організмом комплексні сполуки, в яких хімічні елементи (метали, мікроелементи) набувають активності у процесах проникнення через клітинні мембрани та у подальших перетвореннях у ланках біогенного циклу. Урбанізовані ареали виступають не тільки самостійними джерелами емісії нових сполук, а й ареною формування техногенної хелатної матриці, яка поглинає метали в комплекси та включає їх у глобальний міграційний цикл. Вивчення впливу хімічних елементів середовища на обмінні процеси, виявлення причинних залежностей нормальних та патологічних реакцій організмів від факторів біогеохімічного середовища в природних умовах та експерименті становлять кінцеву мету у геохімічній екології як наслідок системного вивчення біосфери. При вплив на організм має значення природа, концентрація, доза, молярне співвідношення елементів, форма та умови, в яких вони знаходяться. Тому в організмі під впливом окремих елементів та їхньої спільної дії може спостерігатися посилення або ослаблення біохімічних процесів і навіть дисфункції процесів обміну речовин. Про це свідчать єдність механізмів, що лежать в основі концентрування елементів живою речовиною, яка пов'язана як з особливостями хімічного складу біологічної системи та процесів.

метаболізму в ній, так і з будовою та властивостями хімічних елементів. Відповідно до біогеохімічної теорії В.І. Вернадського, біосфера як середовище, у якій відбувається життєдіяльність, а й сама є результатом цієї життєдіяльності.Специфіка біосфери полягає в тому, що в ній постійно відбувається обумовлений діяльністю організмів кругообіг елементів. В організмі можна виявити майже всі елементи, які є в земній корі та морській воді. За теорією В.І. Вернадського існує біогенна міграція атомів по ланцюжку: ґрунт > вода > їжа > людина. Реальні зони, в яких в результаті життєдіяльності здійснюється кругообіг елементів, називаються екосистемами і, як назвав їх В.М. Сукачів, біогеоценозами.На думку А.П. Виноградова (1949) зміст мікроелементів в організмі є характерною ознакою виду і залежить від низки умов: віку, статі, пори року та доби, умов праці та фізіологічних станів. Встановлено біоритми коливань вмісту елементів (у 3-годинному інтервалі до 100%) для макро- та мікроелементів. Однак у системі хаосу, що нормально функціонує, в елементному складі немає. Незважаючи на різноманіття природних умов, людина, тварини та рослини загалом мають подібний елементний хімічний склад (табл. 10.1).

Таблиця 10.1.Вміст елементів органогенів, %

У освіті комплексних сполук беруть участь як макро-, і мікроелементи, та його властивості визначаються будовою і співвідношенням даних елементів, умовами їх функціонування. По ряду речовин хімічний склад організму дуже лабільний. Співвідношення органічних складових (лігандів), утворених макроелементами, та комплексоутворювачів – іонів металів – центральних частинок комплексів помітно варіює.

Якщо в системі кілька лігандів з одним іоном металу або декілька іонів металу з одним лігандом, здатних до утворення комплексних сполук, то спостерігаються конкуруючі рівноваги: ​​у першому випадку лігандообмінне – конкуренція за іон металу, у другому – металообмінне між іонами металу за ліганд. Переважним буде процес утворення найміцнішого комплексу.

У природі ніколи не діє ізольовано один хімічний елемент, значення мають природа, концентрація та співвідношення між елементами (Аnke М., Ge1i М., 1995-1996). У біологічних системах комплексні сполуки - найбільший і різноманітний клас сполук (Джиллард Р.Д., 1967). Діяльність Г.Н. Саєнко (1992) показано прямий і зворотний взаємозв'язок між органічними біолігандами, біокомплексами металів та загальним вмістом металів: загальний вміст металів; комплексні сполуки металів; органічні ліганди. Найважливіші процеси життєдіяльності протікають за участю біологічно активних сполук та залежать від їх складу, змісту, співвідношення іона металу та органічної складової, яка називається біотиком. Біотиками вважають речовини, в кількісному та якісному відношенні властиві організму, що мають фізіологічну активність, здатні регулювати порушені процеси обміну речовин в організмі, підвищувати його захисні функції.

В організмі тварин виявлено понад 60 елементів, причому 45 їх визначено кількісно і є постійними складовими частинами організму. Елементи, які життєво необхідні організму, називають біогенними елементами.Біогенність 30 елементів встановлена. Концепція гомеостазу є центральною проблемою геохімічної екології та відображає стан відносної сталості внутрішнього та зовнішнього середовища організму. На думку В.В. Ковальського, 1991 макро- і мікроелементний гомеостаз визначається як їх біологічної природою, середовищем, а й харчовими ланцюгами, якими здійснюється зв'язок організму та середовища. У харчовому ланцюгу може відбуватися зменшення концентрації одних хімічних елементів та накопичення інших. Тварини та людина отримують біогенні елементи в основному з рослинної та тваринної їжі. Встановлено орієнтовні порогові концентраціїряду хімічних елементів, вище та нижче яких виявляються біологічні ефекти на цілому організмі (табл. 10.2).

Порогові концентрації кожного елемента - величини відносні; вони можуть підвищуватися чи знижуватися залежно від концентрації інших елементів, виду організму, біологічного стану, сезону року та вмісту елементів на техногенних територіях. Наприклад, вміст заліза у пасовищних рослинах. Дані про формування біогеохімічних аномалій свідчать про інтенсивне залучення заліза до локальних біогеохімічних циклів.

Таблиця 10.2.Порогові концентрації мікроелементів у кормах, мг/кг сухого корму

Незважаючи на широкі коливання вмісту макро- та мікроелементів у продуктах харчування, ґрунті, воді, у рослинних та тваринних організмах, вміст макро- та мікроелементів залишається постійним. Однак біорегуляторні механізми не безмежні, і в екстремальних умовах можуть спостерігатися порушення макро-, мікроелементного, молекулярного та антиоксидантного гомеостазу, що може бути лімітуючим фактором росту та розвитку організму. Тому збереження гомеостазу є найважливішим завданням будь-якої біологічної системи. В організмі постійно утворюються речовини, що мають окислювальні властивості. У живих організмах антиоксидантний захист представлений різними системами, які за нормального функціонування організму перебувають у взаємно компенсаторному взаємодії. Зниження концентрації чи активності одних антиоксидантів призводить до відповідної зміни інших. Структура міжорганних та міжсистемних взаємодій відбиває тригерний характер процесів адаптації. Людина, рослини та тварини постійно піддаються прооксидантному впливу навколишнього середовища, яке піддається техногенному забруднення. Отже, актуальні дослідження взаємодій між макро-, мікроелементами та розробка методів антиоксидантної терапії.

Зміст деяких елементів в організмі в порівнянні з навколишнім середовищем підвищений, і це називають біологічним концентруванням елемента.Наприклад, вуглецю в земній корі 0,35%, і за вмістом у живих організмах він посідає друге місце (21%). Ця закономірність не завжди. Так, кремнію в земній корі 27,6%, а живих організмах його мало, алюмінію - 7,45%,

у живих організмах – 1 10 -5 %. Найбільш виражена концентраційна функція у морських організмів. Виявлено підвищене концентрування 10 перехідних елементів, особливо характерне для заліза, титану та марганцю. Відмінність між концентраціями кремнію, титану та алюмінію в земній корі та їх невеликим вмістом у живій речовині обумовлена ​​розчинністю у воді сполук цих елементів. Біоконцентрування притаманно окремих органів (печінки, нирок, травного тракту). З них мікроелементи залучаються до процесів метаболізму для підтримки мікроелементного гомео-стазу. Ступінь концентрування елементів визначається рівнем організації матерії на користь структур, що несуть певне фізіологічне навантаження.

Мал. 10.1.Біохімічні харчові ланцюги хімічних елементів (Ковальський В.В., 1974)

Доведено, що від хімічного елементного складу довкілля організмів залежать їх морфологічна та фізіологічна мінливість, розмноження, зростання та розвиток (рис. 10.1). Тому порушення балансу хімічних елементів у середовищі, як це відбувається у біогеохімічних провінціях, спричиняє патологічні зміни в організмі тварин та людини. Стає очевидним, що поряд з біогеохімічними ендеміями природного походження слід вивчати ендемічні хвороби, які є реакцією на аномальний склад природного середовища, зміненим техногенною діяльністю людини. Використання величезних мас хімічних елементів, обумовлене техногенезом, доки позначається глобальних циклах хімічних елементів, підтримують цілісність біосфери. Але в майбутньому ряд техногенних процесів може вплинути на міграцію елементів у біосфері (блокування атмосферного азоту, окислення сірки та вуглецю, підвищення кислотності природних вод), сприяючи утворенню техногенних

провінцій внаслідок зміни біогеохімічних циклів окремих хімічних елементів та їх груп. Безсумнівно, більш глибокого підходу вимагає оцінка біологічних реакцій організмів на екстремальні техногенні і природні чинники.

10.2. КЛАСИФІКАЦІЇ БІОГЕННИХ ЕЛЕМЕНТІВ.

КРИТЕРІЇ ОЦІНКИ БІОГЕННОСТІ ЕЛЕМЕНТІВ

ТА ЇХ СПОЛУКІВ

Існує кілька класифікацій біогенних елементів. За В.І. Вернадському, залежно від середнього змісту, виділено 3 групи:

Макроелементи, вміст яких в організмі вищий за 10 -2 %; до них належать кисень, вуглець, водень, азот, кальцій, фосфор, сірка, калій, натрій, хлор, магній; вони становлять 99,99% живого субстрату; ще разюче, що 99% живих тканин містять лише шість елементів: С, Н, О, N, P, Са;

Мікроелементи, вміст яких в організмі знаходиться в межах від 10-2 до 10-5%; до них відносяться кремній, йод, фтор, стронцій, залізо, марганець, мідь, цинк, рубідій, бром та ін;

ультрамікроелементи, вміст яких в організмі нижче 10 -5%; до них відносяться молібден, селен, титан, кобальт, цезій та ін.

Макроелементи – C, P, H, O, N, S – входять до складу білків, нуклеїнових кислот. Залежно від функціональної ролі макроелементи ділять на органогени, в організмі їх 97,4% (С, Н, Про, N, Р, S), та елементи електролітного фону (Na, К, Са, Мg, Cl) (табл. 10.3 , 10.4). Вміст вуглецю в білках від 51 до 55%, кисню - від 22 до 24%, азоту - від 15 до 18%, водню - від 6,5 до 7%, сірки - від 0,3 до 2,5%, фосфору - близько 0,5%. Максимальна кількість білків (80%) тварин і людини міститься в селезінці, легені, м'язах; мінімальне (~25%) у кістках та зубах. Вуглець, водень та кисень входять до складу вуглеводів, вміст яких ~2%. Ці елементи входять до складу ліпідів, а до складу фосфоліпідів входять сполуки фосфору. Ліпіди концентруються в головному мозку (12%), печінці (5%), молоці 2-3%, сироватці крові 0,6%. Основна кількість сполук фосфору (600 г) міститься у кістковій тканині, що становить 85% маси всього фосфору, що входить до складу організму. Кальцій, калій, натрій, магній та хлор називають елементами електролітного фону. Найбільший вміст кальцію припадає на кісткову тканину.

(До 17% її маси), більше половини вмісту магнію також знаходиться в кістковій тканині. Фракція позакісткового кальцію становить лише 1% його загального вмісту. Елементи До, Na, Mg, Fe, Cl, S називають олігобіогеннимиелементами. Зміст їх коливається від 01 до 1%.

Таблиця 10.3.Зміст макроелементів-органогенів в організмі

Таблиця 10.4.Вміст елементів електролітного фону в організмі

Елементи, сумарний вміст яких становить величину близько 0,01%, належать до мікроелементів. Їх зміст<0,001% (10 -3 -10 -5 %). Большинство микроэлементов содержится в основном в тканях печени. Это депо микроэлементов. Некоторые микроэлементы проявляют сродство к определенным тканям (йод - к щитовидной железе, фтор - к эмали зубов, цинк - к поджелудочной железе, молибден - к почкам и т.д.). Элементы, содержание которых меньше, чем 10 -5 %, относят к ультрамикроэлементам. Данные о количестве и биологической роли многих элементов не выяснены до конца. Некоторые из них постоянно содержатся в организме животных и человека: Ga, Ti, F, Al, As, Cr, Ni, Sc, Ge, Sn и др. Биологическая роль их мало выяснена. Их относят к условно-биогенным элементам. Другие элементы (Те, Sc, In, W, Re и др.) обнаружены в организме человека и животных, а данные об их количестве и биологической

ролі не з'ясовані. Вони віднесені до домішкових елементів. Домішні елементи ділять на акумулюючі (Hg, Pb, Cd) і неакумулюючі (Al, Ag, Ga, Ti, F). Відомі крилаті слова, сказані німецькими вченими Вальтером та Ідою Ноддак: «У кожному бруківці на бруківці присутні всі елементи періодичної системи». Якщо погодитися з цим, то це має бути справедливо для живого організму.

Усі живі організми мають тісний контакт із навколишнім середовищем. Життя потребує постійного обміну речовин в організмі. Надходженню в організм хімічних елементів сприяють харчування та споживана вода. Організм складається з води на 60%, 34% посідає органічні речовини, 6% - неорганічні. Основними компонентами органічних речовин є С, Н, О. B їх склад входять також N, Р, S. У складі неорганічних речовин обов'язково присутні 22 хімічні елементи. Наприклад, якщо вага людини становить 70 кг, то в ньому міститься (у грамах): Са – 1700, К – 250, Na – 70, Mg – 42, Fe – 5, Zn – 3. На частку металів припадає 2,1 кг . Зміст в організмі елементів IIIA-VIA груп, ковалентно пов'язаних з органічною частиною молекул, зменшується із зростанням заряду ядра атомів даної групи періодичної системи Д.І. Менделєєва. Наприклад, ω(О) > ω(S) > ω(Se) >ω(Fe). Кількість елементів, що знаходяться в організмі у вигляді іонів (s-елементи IA, IIA груп, р-елементи VIIA групи) зі зростанням заряду ядра атома в групі збільшується до елемента з оптимальним іонним радіусом, а потім зменшується. Наприклад, у IIA групі при переході від Be до Са вміст в організмі збільшується, а потім від Ва до Ra знижується (Ершов Ю.А. та ін, 2000). Елементи-аналоги, що мають близьку будову атомів, мають багато спільного у біологічній дії. Відповідно до рекомендації дієтологічної комісії Національної академії США щоденне надходження хімічних елементів з їжею має перебувати на певному рівні (табл. 10.5).

Стільки ж хімічних елементів має виводитися з організму, оскільки їх вміст у організмі перебуває у відносній постійності. Класифікація, заснована на концентрації елементів в організмі, проста і зручна, але вона не відповідає на головне питання біологічної ролі елементів.

Класифікація, заснована на біологічній ролі елементів, ділить елементи, виявлені в організмі, на три групи: життєво необхідні(біогенні, есенційні); умовно-необхідніі домішкові елементиз мало вивченою чи невстановленою роллю (рис. 10.2).

Таблиця 10.5.Добове надходження хімічних елементів в організм людини

Група есенціальних елементів включає всі макроелементи, частина мікро- і ультрамікроелементів. Отже, концентрація тієї чи іншої елемента у організмі не визначає його біологічне значення.

Елемент може бути віднесений до біогенних (есенціальних) елементів, якщо він задовольняє наступним вимогам (Георгіївський В.І. та ін., 1979):

Постійно присутній в організмі в кількостях, подібних до різних індивідуумів;

Тканини за змістом елемента завжди розташовуються у порядку;

Поживний раціон, що не містить цього елемента, викликає у тварин характерні симптоми недостатності та певні біохімічні зміни в тканинах (мікроелементози);

ці симптоми та зміни можуть бути запобігання або усунення шляхом додавання даного елемента в їжу.

Мал. 10.2.Класифікація біогенних елементів (Георгіївський В.І., 1979)

На думку основоположників біогеохімії, всі наявні в природі елементи необхідні існування живої речовини. В даний час немає єдиної думки щодо біогенних елементів. Ряд авторів відносять до біогенних елементів 17 хімічних елементів (H, C, N, O, Ca, Mg, K, Na, P, S, Cl, Fe, Zn, Mn, Cu, Co, Mo). Інші дотримуються іншої точки зору і збільшують кількість есенціальних елементів до 30. Але ця точка зору не є загальноприйнятою. У групу есенційних елементів МЕ P.J. Aggett (1985) відносить МЕ: Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Se, Mo, I, Co. Відтворення феномена есенціальності і, зокрема, підтримання життя, нормального зростання та розвитку, репродуктивної здатності, запобігання захворюванням та передчасному летальному результату були отримані і у потомства тварин (Anke M. et al., 1987). Ці автори розрізняють класичні МЕ, перелік яких збігається з наведеним вище (з додаванням фтору та так звані нові есенційні МЕ: Si, Sn, V, Ni, As, Cd, Li, Pb) (Авцин А.В. та ін., 1991 ). Отже, ця точка зору поки що не є загальновизнаною:

Доказом біогенності елемента ці автори вважають поширеність у природі, всмоктування, транспорт, виділення з організму, фізіологічна роль та патологічні процеси, зумовлені дефіцитом та надлишком МЕ в організмі тварин та людини;

Токсичні елементи виявляються у всіх досліджених органах, причому їхня концентрація в нирках незвичайно висока - 0,59 ммоль/кг. Ртуть міститься у всіх органах, причому у головному мозку його концентрація досягає 0,014 ммоль/кг; ще вище концентрація цього мікроелемента в печінці (0,018 ммоль/кг). Талій у всіх органах знаходиться майже на одному рівні (1,96 ммоль/кг) і лише в головному мозку збільшується до 2,44 мкмоль/кг. Зміст Sn також надзвичайно висока в головному мозку (16,8 мкмоль) і на порядок перевищує відповідні показники в серці та нирках;

Закономірна реакція на добавку МЕ до складу їжі, виникнення дефіциту МЕ при усуненні його з дієти, корекція стан МЕ із субнормальним рівнем його концентрації у крові чи тканинах лабораторних тварин;

Зміст МЕ в різних органах та тканинах ембріонів та плодів людини в пренатальному періоді вказує на біогенність елемента. У процесі онтогенезу певні органи та тканини здатні концентрувати ті чи інші МЕ. Більшість дослідників пояснюють це фізіологічною роллю МЕ та специфічною діяльністю органу у новонароджених. Найбільша кількість Cu, Ti міститься в зорових пагорбах і довгастому мозку. У зрілому віці Ti концентрується у корі півкуль великого мозку.

Ймовірно, що необхідні елементи (або умовно-есенціальні) також можна виявити в різних біосередовищах у відносно стабільних кількостях, проте вони не задовольняють перерахованих вище вимог. Участь цих елементів у обмінних процесах може обмежуватися окремими тканинами й часом потребує експериментального підтвердження. Що стосується елементів, роль яких в організмі мало вивчена або невідома, то деякі з них, мабуть, випадково накопичуються в організмі, надходячи з їжею і не виконуючи будь-якої корисної функції. Однак суворо обмежувати групу біогенних елементів також не можна, оскільки можливе відкриття біологічної ролі нових елементів. Наприклад, в останні роки встановлено біотичну роль селену, з'явилися експериментальні та клінічні дані про участь у метаболічних процесах фтору, хрому, кремнію, миш'яку.

Класифікація елементів за ступенем їхньої біогенності, як і дві попередні, містить істотні недоліки: вона має занадто

загальний вигляд, що не відображає механізму впливу елементів на організм і не дозволяє достатньо точно передбачати можливу біологічну роль або токсикологічний ефект того чи іншого елемента. Нині дослідники змушені давати індивідуальну оцінку кожному елементу. У принципі будь-який хімічний елемент, пройшовши біогеохімічні бар'єри, набуває «біотичного вигляду», тобто. стає біоелементом.Наприклад, кларк Si і Al у ланцюжку «ґрунт – рослини – тваринні організми і людина» прогресуюче знижується, при цьому зменшуються роль і значення цих двох елементів для живих (біотичних) систем. У міру просування по харчовому (трофічному) ланцюгу в деяких елементів відбувається процес акумуляції в живих організмах (наприклад, цинку), а інших елементів (Si, Al, Ti) у кількісному вираженні стає меншим.

Основу живих систем становлять 6 елементів, про органогенів. До них відносяться вуглець, водень, кисень, азот, фосфор та сірка. Органогени за своїм вмістом в організмі відносяться до макроелементів, складаючи 97,4% маси живого організму, і відіграють найважливішу роль у підтримці життєдіяльності. Для органогенів характерне утворення водорозчинних сполук, що сприяє їхньому концентруванню в живих організмах. Різноманітність біомолекул у живих організмах визначається здатністю органогенів до утворення безлічі різних хімічних зв'язків. З органогенів, або «органічних макроелементів», в основному складаються вуглеводи, білки, жири та нуклеїнові кислоти. Головна функція макроелементів полягає у побудові тканин, підтримці сталості осмотичного тиску, іонного та кислотно-основного складу.

Мікроелементи, входячи до складу ферментів, гормонів, вітамінів та біологічно активних речовин як комплексоутворювачів або активаторів, беруть участь в обміні речовин, процесах розмноження, тканинному диханні, знешкодженні токсичних речовин. Мікроелементи активно впливають на процеси кровотворення, окислення-відновлення, проникність судин та тканин (Єршов Ю.А., Плетенєва Т.В., 1989).

Мікроелементи безпосередньо беруть участь у побудові вітамінів, що застосовуються як загальнозміцнюючий та загальнотонізуючий засіб. Прикладом може бути вітамін B 12 (ціанкобаламін), у структуру якого входить кобальт - 4,5%. Вміст вітамінів у рослинах відповідає вмісту у яких тієї чи іншої мікроелемента. Наприклад, вміст марганцю та вітаміну B 1 . Виявлено взаємозв'язок між мікроелементами та вітамінами у ряду мікроелементів

(Мп, Cu, Zn), здатність впливати на синтез деяких вітамінів – аскорбінову кислоту, вітамін B 1 . До вітамінів належать деякі органічні речовини різноманітної природи. Добова потреба у них, як і мікроелементах, вимірюється дуже малими кількостями - міліграмами і навіть мікрограмами (вітамін D - 25 мкг). В організмі вони зазвичай беруть участь як необхідні компоненти ферментативних процесів шляхом входження елемента в про-стетичну групу ферменту.

Загальнофізіологічне значення мікроелементів пов'язане також зі специфічною функцією залоз внутрішньої секреції. Їхня діяльність пов'язана із вмістом певних мікроелементів в організмі. Наприклад, йод – з функцією щитовидної залози, цинк – з функцією насінників та інсулярного апарату підшлункової залози. Експериментально доведено можливість впливу на функцію щитовидної залози та інших мікроелементів Co, Ca. Роль ендокринних залоз різноманітна. Так, щитовидна залоза впливає на білковий, вуглеводний та жировий обмін речовин, на ріст, розвиток організму та центральну нервову систему. У свою чергу гіпофіз з його тиреотропним гормоном впливає на функцію щитовидної залози. Мікроелемент може мати багато точок застосування у ферментних системах і, отже, через них поширювати свій вплив на організм, у тому числі і на ендокринні залози.

В організмах постійно містяться такі радіоактивні елементи, як радій, уран. У великих концентраціях вони пригнічують та порушують нормальне перебіг фізіологічних процесів. Однак при використанні їх у надзвичайно малих концентраціях, близьких до природного змісту у звичайних умовах природи, вони можуть стимулювати низку біологічних процесів. Уран, наприклад, сприяє кращому проростанню насіння, асиміляції вугільної кислоти на світлі та засвоєнню азоту корінням рослин. Радіоактивні речовини широко застосовують у медицині. Тому їх можна зарахувати до біотичних елементів. Мікроелементи в організмі переважно проявляють активність в іонній формі і, будучи носіями електронного заряду, входять до структури відповідних біологічно активних речовин.

За даними F. Kieffer (1990), вміст мікроелементів, таких як ванадій, хром, марганець, кобальт, нікель, мідь, селен, молібден, олово, йод, в тілі людини знаходиться в межах між 3 і 100 мг на 70 кг ваги . Виникає питання: чи можуть такі незначні кількості виконувати біологічні функції? Простіше знайти відповідь, якщо

виразити вагу в молярних кількостях. Величини цих показників свідчать, що тіло людини містить щонайменше 1019 іонів кожного з цих елементів, якщо прийняти за факт, що в тілі людини знаходиться приблизно 1014 клітин (цю цифру наводять багато підручників біології) і кожна клітина повинна містити від 10 5 до 10 6 іонів цих елементів. Метаболічно активні клітини будуть містити навіть більшу кількість, тоді як у разі жирів, хрящів та кісток спостерігається протилежна картина. Таким чином, навіть найрідкісніші з елементів здатні надавати фізіологічний вплив на кожну клітину організму.

Ми вважаємо, що всі елементи, що постійно містяться в організмі, виконують певну життєво важливу функцію. Сучасний стан знань про біологічну роль елементів можна характеризувати як поверхневий дотик цієї проблеми. Накопичено багато фактичних даних щодо вмісту елементів у різних компонентах біосфери, реакції реакції організму на їх недолік і надлишок. Складено карти біогеохімічного районування та біогеохімічних провінцій. Але немає загальної теорії, що розглядає функції, механізм впливу та роль мікроелементів у біосфері. Характерною ознакою життєвої необхідності елемента є дзвоноподібний характер кривої, побудованої в координатах: реакція у відповідь організму (R) - доза елемента (Д) (рис. 10.3).

Мал. 10.3.Залежність реакції організму від дози сполук заліза в їжі у певному інтервалі концентрацій (за Єршовом Ю.А. та ін., 2000)

При недостатньому надходженні елемента в організм наноситься істотний збиток зростанню та розвитку організму. Це поясн-

няється зниженням активності ферментів, до складу яких входить елемент. При підвищенні дози цього елемента реакція організму у відповідь зростає, досягає норми (біотична концентрація елемента). Чим більша ширина плато, тим менша токсичність елемента. Подальше збільшення дози призводить до зниження функціонування внаслідок токсичної дії надлишку елемента аж до смерті. Дефіцит та надлишок біогенного елемента завдають шкоди організму. Усі живі організми реагують на недолік і надлишок чи несприятливе співвідношення елементів.

Звичайні мікроелементи, коли їх концентрація в організмі перевищує біотичну концентрацію, виявляють токсичну дію на організм. Токсичні елементи при дуже малих концентраціях не шкідливо впливають на організм. Наприклад, миш'як при мікроконцентраціях має біостимулюючу дію. Отже, немає токсичних елементів, тобто токсичні дози. Таким чином, малі дози елемента – ліки, великі дози – отрута. «Все є отрута, і ніщо не позбавлене отруйності, одна лише доза робить отруту непомітною», - говорив Парацельс. Доречно згадати слова таджицького поета Рудакі: «Що нині славою славиться, то завтра стане отрутою».

Отже, біогенність 30 елементів встановлена. Щодо постійного вмісту в організмі людини 70 елементів (у межах порядку). Відзначаються сильні коливання рівня (кілька порядків) домішкових елементів у городян та відносно низький рівень домішкових елементів сільських жителів. Постійність утримання необхідних елементів найімовірніше визначається ефективними механізмами гомеостазу. Припущення вчених точаться ще далі. «У живому організмі як присутні всі елементи, але кожен із новачків виконує якусь функцію»(Вернадський В.І., 1937; Авцин А.В. та ін, 1991).

У 1937 р. В.І. Вернадський припустив, що титан необхідний організму і виконує певні життєво важливі функції. Титан належить до найбільш поширених у природі елементів. У земній корі вміст дев'яти елементів (Про, Fe, Si, Са, Mg, До, Na, Al, Н) перевищує титан, масова частка якого становить 0,61%. Вміст титану в тканинах риб становить 10 -4 %, в організмі тварин, що мешкають на суші - 9 10 -4 %. В організмі людини він виявлений ще у 19 столітті. Концентрація його не більше 10 -6 %. Вміст титану в крові людини коливається від 23 до 207 мг на золу. Цілісна кров містить 6,53 мкг% титану, еритроцити - 2,34 мкг%, плазма - 2,39 мкг%, лейкоцити - 0,0067 мкг%. В органах людини-

ка вміст титану становить у середньому 1 мг% на золу або 0,02 мг% на сиру речовину. Розподіл титану у різних відділах мозку нерівномірно. Найбільша кількість його виявлена ​​у слуховому центрі та зоровому бугрі. Він постійно присутній у жіночому молоці у кількості 14,7 мг%. Постійна присутність титану в ембріоні вказує на прохідність плаценти для сполук, що циркулюють у крові, титану і є збирачем сполук титану.

Відмічено виникнення низки захворювань у разі порушення обміну титану. У розгорнутій фазі гострого лейкозу, при гастрогенній залізодефіцитній анемії, постгеморагічній анемії, раку, виразковій хворобі шлунка та при оперативному втручанні у ранні післяопераційні терміни вміст титану в крові знижується. Порушення обміну титану відмічено також при хворобі Боткіна, токсикозі та нефропатії вагітних, у хворих на мікробну екзему та нейродерміт, при опіках.

Як один з показників активного включення сполук титану в метаболічні процеси можна навести їх взаємозв'язок з одним із білків плазми крові - сироватковим альбуміном, який забезпечує біотранспорт низькомолекулярних речовин в організмі. Відзначено в основному три фактори впливу сполук титану на біооб'єкти: інтенсифікація синтезу амінокислот, білків, вуглеводів та ліпідів; активуюча дія на кровотворні, ферментативні системи; участь у забезпеченні макро-, мікроелементного гомеостазу та підвищення гомеостатичної ємності. Отже, титан можна віднести до життєво необхідних елементів, що не акумулюються.(Жолнін А.В., 2005).

10.3. ВЛАСТИВОСТІ СПОЛУКІВ S-ЕЛЕМЕНТІВ

10.3.1. Загальна характеристика s-елементів та їх з'єднань

Біогенні елементи поділяють на елементи: s-, p-і d-блоки. Хімічні елементи, в атомах яких заповнюються електронами s-підрівень зовнішнього рівня, називають s-елементами. Будова їх валентного рівня ns 1-2.Невеликий заряд ядра, великий розмір атома сприяють з того що атоми s-елементів - типові активні метали; показником цього є невисокий потенціал їхньої іонізації. Катіони IIА групи мають менший радіус і більший заряд і мають, отже, більш високу поляризуючу дію,

утворюють більш ковалентні та менш розчинні сполуки. Атоми прагнуть прийняти конфігурацію попереднього інертного газу. При цьому елементи IA та IIA груп утворюють відповідно іони М+ та М2+. Хімія таких елементів є в основному іонною хімією, за винятком літію і берилію, які мають сильнішу поляризуючу дію.

Для s-елементів групи IA невеликий заряд ядер атомів, невисокий потенціал іонізації валентних електронів, великий розмір атома і збільшення його в групі зверху вниз визначають стан їх іонів у водних розчинах у вигляді гідратованих іонів. Найбільша схожість літію з натрієм зумовлює їхню взаємозамінність, синергізм їхньої дії. Деструктуруючі властивості у водних розчинах іонів калію, рубідія і цезію забезпечують їх кращу мембранопроникність, взаємозамінність та синергізм їх дії. Концентрація К+ усередині клітин у 35 разів вища, ніж поза, а концентрація Na+ у позаклітинній рідині у 15 разів більша, ніж усередині клітини. Ці іони в біологічних системах є антагоністами, s-елементи IIA групи в організмі знаходяться у вигляді сполук, утворених фосфорною, вугільною та карбоновою кислотами. Кальцій, що міститься в основному в кістковій тканині, за своїми властивостями близький до стронцію та барію, які можуть замінювати його в кістках. У цьому спостерігаються як випадки синергізму, і антагонізму. Іони кальцію є також антагоністами іонів натрію, калію та магнію. Подібність фізико-хімічних характеристик іонів Be 2+ та Mg 2+ обумовлює їх взаємозамінність у сполуках, що містять зв'язки Mg-N та Mg-O. Цим можна пояснити інгібування магнійсодержащих ферментів при попаданні в організм берилію. Берилій – антагоніст магнію. Отже, фізико-хімічні властивості та біологічна дія мікроелементів визначаються будовою атомів.

У водному розчині іони здатні невеликою мірою до реакцій комплексоутворення, утворення донорно-акцепторних зв'язків з монодентатними лігандами (аквакомплекси) і навіть з полідентатними лігандами (ендо- та екзогенними комплексонами). Такі комплекси мають, як правило, невисоку стійкість. Більш міцні комплекси утворюються з циклічними поліефірами. краун-ефірами,які є плоский багатокутник. Іони s-елементів мають зв'язки одразу з декількома атомами кисню сполуки типу циклічної молекули, які називають макроциклічні сполуки.Це мембраноактивні комплекси (іонофори)- сполуки, що переносять іони s-елементів через

ліпідні бар'єри мембран. Молекули іонофорів мають внутрішньомолекулярну порожнину, до якої може увійти іон певного розміру, геометрії за принципом ключа та замка. Порожнина облямована активними центрами (ендорецепторами). Залежно від природи металу може відбуватися нековалентна взаємодія (електростатична, утворення водневих зв'язків, прояв ван-дер-ваальсових сил) із лужними металами (граміцидин з Na+, валіноміцин із К+ [рис. 10.4]) та ковалентна – із лужноземельними металами. Утворюються при цьому супрамолекули - складні асоціати, що складаються з двох або більше хімічних частинок, що утримуються разом міжмолекулярними силами.

Двозарядні іони елементів IIА групи є сильнішими комплексоутворювачами. Їх найбільш характерно утворення координаційних зв'язків з донорними атомами кисню, а магнію - також із атомами азоту (порфириновая система). З макроциклічних сполук наведений нижче представник криптанда високо селективний по відношенню до катіону стронцію.

Криптанд -це макроциклічний ліганд, який пов'язує катіони ще специфічніше, ніж циклічні ефіри. У молекулах криптандів атомами, загальними для всіх циклів (вузловими атомами), можуть бути С і N, атомами в циклах - О, S і N. Якщо вузлові атоми в молекулі з'єдну-

нени оксиэтиленовыми ланцюжками, то тривіальних назвах крип-тандов цифрами в квадратних дужках перед словом «криптанд» вказується кількість ефірних атомів Про в кожному ланцюжку, причому першою вказується найбільш довгий ланцюг. Розмір порожнини криптанда визначається за трьома напрямками, а не в площині, як це було у випадку краун-ефіру. Комплекси металів з криптандами значно стійкіші, ніж із краун-эфирами.

З'єднання криптанда з лужними металами звуться криптатів.Механізм дії антибіотика тетрациклінуполягає у руйнуванні рибосом мікроорганізмів за рахунок зв'язування іонів магнію, що визначає лікувальний ефект.

Мал. 10.4.Валіноміцин фіксується в центрі за рахунок іон-дипольної взаємодії за участю карбонільних груп пептиду (кухлі)

10.3.2. Медико-біологічне значення s-елементів та їх сполук

Біологічні функції s-елементів дуже різноманітні: активація ферментів, участь у процесах згортання крові, у різних реакціях організму, пов'язаних зі зміною проникності мембран по відношенню до іонів калію, натрію та кальцію, участь в утворенні мембранного потенціалу, у запуску внутрішньоклітинних процесів, таких, як обмін речовин, зростання, розвиток, скорочення, поділ та секреція, перенесення інформації. Чутливість клітин до даних іонів забезпечується різницею їхнього вмісту поза та всередині клітини, градієнтом концентрації (іонною асиметрією). Старіння - зниження градієнта концентрації, смерть - вирівнювання концентрації поза та всередині клітини. Градієнт концентрації регулюється зв'язуванням вільних іонів клітини специфічними білками. Одним із небагатьох універсальних регуляторів життєдіяльності клітин є іони кальцію. Градієнт концентрацій Са 2+ між цитоплазмою та середовищем на рівні 4 порядків та забезпечується зв'язуванням Са 2+ у хелатну сполуку специфічними білками. Кальмодулін - один з найбільш вивчених кальційзв'язувальних білків, широко поширених, і зустрічається в клітинах тварин, рослин і грибів. Цей білок здатний регулювати велику кількість (понад 30 описаних в даний час) різних процесів, що відбуваються в клітині. Тому в цитоплазмі вільні іони кальцію присутні у субмікромолярних концентраціях.

Речовини, що регулюють потік іонів, називаються ефекторами,які діляться на блокаториі активатори.Біологічна дія ефекторів може бути дуже різноманітною як за напрямом, так і інтенсивністю впливу. Речовини, що забезпечують підвищення концентрації градієнта, активізують внутрішньоклітинні процеси, ріст і розвиток організму і є активаторами метаболічних процесів. Речовини, що забезпечують зниження градієнта концентрації, навпаки, пригнічують внутрішньоклітинні процеси, знижують інтенсивність обмінних процесів в організмі. Внутрішньоклітинна регуляція процесів за допомогою ефекторів нам є перспективним механізмом управління зростанням та розвитком живого організму. Тому дуже актуальним та важливим напрямом наукових досліджень є пошук та синтез високовиборчих та ефективних ефекторів, біорегуляторів.

внутрішньоклітинних процесів, здатних змінювати властивості K + -, Na + -, Са 2+ -каналів за рахунок взаємодії зі специфічними ділянками його структури - рецепторами, які можуть бути або на поверхні або приховані в глибині цих каналів.

У нормальних умовах іони кальцію грають роль найважливіших вторинних посередників, що у запуску внутрішньоклітинних процесів (біосинтез, скорочення, розподіл, секреція). Вони відповідають сигнали первинних посередників біохімічних процесів, у ролі яких виступають різні біологічно активні речовини (ефектори): медіатори, гормони, вітаміни, ферменти, чинники зростання. Зв'язування ефектора з рецепторами підпорядковується закону мас, що діють.

У клінічній практиці застосовуються блокатори серцево-судинної терапії (стенокардія, аритмія, інфаркт міокарда), імунології, хіміотерапії онкологічних захворювань. Верапаміл, дигідропіриділінгібують на 80-90% утворення метастазів меланоми, значно знижують адгезію(прилипання) пухлинних клітин до ендотелію та утворення колоній. Система регуляції градієнта концентрації поза та всередині клітин є перспективним напрямком у біотехнології(хімічної іоніки) для отримання важливих речовин із клітин-продуцентів (р-клітини – джерело інсуліну, гіпофізарні клітини – продуценти гормонів, фібробласти – джерела факторів росту). Крім активації ферментів, іони лужних металів відіграють важливу роль в осмотичному тиску, діють як переносники зарядів під час передачі нервового імпульсу, стабілізують структуру нуклеїнових кислот. Іони кальцію, магнію ініціюють деякі фізіологічні процеси, такі, як скорочення м'язів, секрецію гормонів, згортання крові та ін. Вміст іонів натрію, кальцію та хлору у позаклітинному середовищі вище, а іонів калію та магнію – навпаки. Стаціонарний стан досягається при рівності потоків іонів калію всередину клітини (активний транспорт) та з клітини за рахунок дифузії. Зворотне явище спостерігається під час транспортування іонів натрію. Існування калієво-натрієвого градієнта концентрацій призводить до виникнення мембранногоі дифузійногопотенціалів. Збільшення концентрацій калію поза клітиною в 2 рази призводить до порушення серцевого ритму та смерті, біологічна роль інших іонів s-елементів поки що неясна. Відомо, що введенням в організм іонів літію вдається лікувати одну із форм маніакально-депресивного психозу.

В останні роки помітно зріс інтерес до проблем клітинного регулювання, а також до пошуку шляхів використання цих процесів у медицині, біотехнології та сільському господарстві. У процесі життєдіяльності кордону клітини перетинають різноманітні речовини, потоки яких ефективно регулюються. З цим завданням справляється клітинна мембрана з вбудованими у ній транспортними системами, що включають іонні насоси, систему молекул-переносників та високоселективні іонні канали. В даний час ключові ділянки процесів, що відчуваються клітиною у вигляді зовнішніх стимулів, вивчені та виявлені універсальні передавачі цих сигналів - Na + -, K + -, Ca 2 + -канали. Висока чутливість клітин до іонів натрію, калію, кальцію забезпечується різницею їх вмісту поза та всередині клітини (іонною асиметрією, мембранним потенціалом).

10.4. ВЛАСТИВОСТІ СПОЛУКІВ D-ЕЛЕМЕНТІВ

10.4.1. Загальна характеристика d-елементів та їх сполук

Елементи d-блоку- Це елементи, у яких відбувається добудова d-підрівня переднього рівня. Вони утворюють В-групи (табл. 10.6). Електронна будова валентного рівня d-елементів: (n - 1) d 1-10, ns 1-2. Вони розташовані між s- та p-елементами, тому отримали назву "перехідні елементи". d -Елементи утворюють 3 сімейства у великих періодах і включають по 10 елементів (4-й період сімейство Sc 21 -Zn 30 , 5-й період - Y 39 -Cd 48 , 6-й період - La 57 -Hg 80 , 7- й період - Ac 89-Mt 109).

Таблиця 10.6.Положення d-елементів у періодичній системі та їх біогенність

Слідом за лантаном 5 d 1 6s 2передбачається поява ще 8 елементів з дедалі більшою кількістю 5d-електронів. У зв'язку з тим, що 4f оболонка лантану дещо стійкіша, ніж 5 d,у наступних 14 елементів електрони заповнюють 4f оболонку, поки вона не забудується. Ці елементи називаються f -Елементами.Вони займають у періодичній системі одну клітину з лантаном, тому що мають спільні з ними властивості та називаються лантаноїдами.

Особливості властивостей d-елементів визначаються електронною будовою атомів; у зовнішньому електронному шарі міститься, як правило, не більше 2 s-електронів, р-підрівень вільний, відбувається заповнення d-підрівня переднього рівня.Властивості простих речовин d-елементів визначається в першу чергу структурою зовнішнього шару і лише меншою мірою залежать від будови попередніх електронних шарів. Невисокі значення енергії іонізації цих атомів вказують на порівняно слабкий зв'язок зовнішніх електронів із ядром. Це визначає їх загальні фізичні та хімічні властивості, виходячи з яких слід віднести прості речовини d-елементів до типових металів. Для V, Сr, Mn, Fe, Co енергія іонізації становить відповідно від 6,74 до 7,87 ев. Саме тому перехідні елементи в утворених ними сполуках виявляють лише позитивний ступінь окислення та виявляють властивості металів. Більшість d-елементів - це тугоплавкі метали. За хімічною активністю d-елементи дуже різноманітні. Такі, як Sc, Mn, Zn, найбільш хімічно активні (як лужноземельні).

Найбільш хімічно стійкі Au, Pt, Ag, Су. У 1 ряді інертні Ti, Сr, У сімействі Sc і Zn спостерігається плавний перехід у зміні хімічних властивостей зліва направо, оскільки зростання порядкового номера не супроводжується істотною зміною структури зовнішнього електронного шару, відбувається лише добудова d-підрівня передостаннього рівня. Тому хімічні властивості в періоді хоч і закономірно, але набагато менш різко змінюються, ніж у елементів А груп, у яких ряд починається активним металом і закінчується неметал. У міру збільшення заряду ядра d-елементів ліворуч зростає енергія іонізації, необхідна для відриву електрона. У межах одного сімейства (декади) стійкий максимальний ступінь окислення елементів спочатку зростає, завдяки збільшенню числа d-електронів, здатних брати участь в утворенні хімічних зв'язків, а потім зменшується (внаслідок посилення взаємодії d-електронів з ядром у міру збільшення його заряду). Так, максимальна міра окислення Sc, Ti, V, Сr, Mn збігається з номером

групи, в якій вони знаходяться, у останнього не збігається, для Fe дорівнює 6, для, Ni, Сu - 3, а для Zn - 2 і відповідно змінюється стійкість сполук, що відповідають певного ступеня окислення. У ступені окислення +2 оксиди TiO і VO - сильні відновники, нестійкі, а Суо і ZnO не виявляють відновлювальних властивостей та стійкі. Водневих сполук не утворюють.

Як змінюються властивості елементів у різних сімействах зверху донизу? Розміри атомів зверху вниз від d-елементів 4 до d-елементів 5 періоду зростають, енергія іонізації зменшується, і металеві властивості збільшуються. Коли переходимо від 5 до 6 періоду, розмір атомів залишається практично без змін, властивості атомів також близькі, наприклад, Zn і Hf за властивостями дуже близькі і їх важко розділити. Те саме можна сказати про Мо і W, Ті та Re. Елементи 6 періоду йдуть після сімейства лантаноїдів, за рахунок цього відбувається додаткове зростання заряду ядра атома, а це призводить до відтягування електронів, більш щільною їх упаковці відбувається лантаноїдний стиск.

У фізичних та хімічних властивостях простих речовин d-елементів багато спільного для типових металів. Спільність та відмінність їх виявляються особливо у хімічних властивостях сполук d-елементів. d-Елементи мають досить багато валентних електронів (Mn від 2 до 7ē ), енергія яких різна, і вони не завжди і не всі беруть участь в утворенні зв'язків. Тому d-елементи виявляють змінну ступінь окислення, отже, їм характерні реакції окислення-відновлення.Ступені окиснення елементів Sc-Zn представлені у табл. 10.7. d-Елементи здатні виявляти ступінь окиснення +2 за рахунок втрати 2s-електронів, характерна також ступінь окиснення+3 (Виняток Zn). Вищий ступінь окислення більшості d-елементів

Таблиця 10.7.Характеристика ступеня окиснення d-елементів 4 періоду

відповідає номеру групи, де вони знаходяться.Зі збільшенням порядкового номера d-елемента значення стійкого ступеня окиснення зростає. Негативний ступінь окислення не виявляють, отже, водневих сполук не утворюють.

Як випливає з таблиці, найбільше змінних ступенів окислення у елементів у VB-VIIВ групах. Тому для елементів цих груп найбільш характерними є реакції окислення-відновлення.

У зв'язку з тим, що d-елементи здатні виявляти різні ступені окислення, вони здатні утворювати сполуки, що різко відрізняються за кислотно-основними властивостями. Властивості оксидів і гідрооксидів залежать від ступеня окислення утворює d-елемента. У міру підвищення ступеня окислення d-елемента слабшає основний їх характер і посилюється кислотний характер.У ступеня окиснення +2 виявляють тільки основний характер, проміжного ступеня окиснення - амфотерний характер і вищою мірою - кислотний характер:

У ряді d-елементів вищою мірою окислення в періоді зліва направо кислотний характер сполук зростає від Sc до Zn:

Нижчою мірою окислення -1, -2 сполуки виявляють основні властивості. У групах зверху донизу посилюється основний характер:

В організмі d-елементи представлені як існуючі у вигляді гідратованих, гідролізованих іонів, але найчастіше у вигляді біоорганічних комплексів. Вони виступають як сильні комплексоутворювачі, що обумовлено наявністю на d-підрівні переднього рівня валентних електронів. Здатність утворювати комплексні сполуки обумовлена ​​наявністю в їх атомах вільних орбіталей (однієї s-, трьох р- та п'яти

d-орбіталей), виявляючи к.ч. = 6, рідше 2, 3, 5 і 8 для утворення зв'язку з полідентатними лігандами з утворенням хелатів (біокастерів, гетеровалентних і гетероядерних сполук).

У кислих середовищах іони d-елементу знаходяться у вигляді гідратованих іонів [М(Н 2 Про) m] n + . При підвищенні pH гідратовані іони багатьох d-елементів внаслідок великого заряду і невеликого розміру іона мають високий поляризуючий вплив на молекули води, акцепторну здатність до гідроксид-іонів, піддаються гідролізу катіонного типу, утворюють міцні ковалентні зв'язки з ОН - . Процес закінчується або утворенням основних солей (m-n)+, або малорозчинних гідроксидів М(ОН) n, або гідроксокомплексів (m-n)-. Процес гідролітичної взаємодії може протікати з утворенням багатоядерних комплексів внаслідок реакції полімеризації:

10.4.2. Медико-біологічне значення d-елементів та їх сполук

Більшість біогенних елементів – це члени другого, третього та четвертого періодів періодичної системи Д.І. Менделєєва. Це відносно легкі атоми з порівняно невеликим зарядом ядер.

Зміст d-елементів вбирається у 10 -3 %. Вони входять до складу ферментів, гормонів, вітамінів та інших життєво важливих сполук. Для білкового, вуглеводного та жирового обміну речовин необхідні: Fе, З, Mn, Zn, Мо, V, В, W; у синтезі білків беруть участь: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, у кровотворенні - С, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; у диханні - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn та Со. Тому мікроелементи знайшли широке застосування в медицині, як мікродобрива для польових культур, підживлення в тваринництві, птахівництві та рибництві. Мікроелементи входять до складу великої кількості біорегуляторів живих систем, в основі яких лежать біокомплекси. Ферменти – це особливі білки, які діють як каталізатори у біологічних системах. Ферменти - унікальні каталізатори, що мають неперевершену ефективність дії і високу селективність. Приклад ефективності перебігу реакції розкладання перекису водню 2Н 2 Про 2 ↔ 2Н 2 Про + О 2 наведено в табл. 10.8.

Таблиця 10.8.Енергія активації (Еа) та відносна швидкість реакції розкладання H 2 O 2

В даний час відомо більше 2000 ферментів, багато з яких каталізують одну реакцію. Активність великої групи ферментів проявляється лише у присутності певних сполук небілкової природи, які називаються кофакторами.Як кофактори виступають іони металів або органічні сполуки. Приблизно третина ферментів активується перехідними металами.

Іони металів у ферментах виконують ряд функцій: є електрофільною групою активного центру ферменту та полегшують взаємодію з негативно зарядженими ділянками молекул субстрату, формують каталітично активну конформацію структури ферменту (у формуванні спіральної структури РНК беруть участь іони цинку та марганцю), беруть участь у транспорті електронів ( електрону).Здатність іона металу виконувати свою роль в активному центрі відповідного ферменту залежить від здатності іона металу до комплексоутворення, геометрії та стійкості комплексу, що утворюється. Це забезпечує підвищення селективності ферменту по відношенню до субстратів, активації зв'язків у ферменті або субстраті за допомогою координації та зміни форми субстрату відповідно до стеричних вимог активного центру. Біокомплекси розрізняються за стійкістю. Одні з них настільки міцні, що постійно знаходяться в організмі та виконують певну функцію. У тих випадках коли зв'язок кофактора та білка ферменту міцний і розділити їх важко, його називають «простетичною групою». Такі зв'язки виявлені в ферментах, що містять гемкомплексне з'єднання заліза з похідним порфіну. Роль металів таких комплексів є високоспецифічною: заміна його навіть на близький за властивостями елемент призводить до значної або повної втрати фізіологічної активності. Ці ферменти відносять до специфічних ферментів.

Прикладами таких сполук є хлорофіл, поліфені-локсидаза, вітамін B 12 , гемоглобін та деякі металоферменти.

(Гемоглобін, цитохроми). Небагато ферментів беруть участь лише в одній певній або єдиній реакції. Каталітичні властивості більшості ферментів визначаються активним центром, що утворюється різними мікроелементами. Ферменти синтезуються період виконання функції. Іон металу виконує роль активатора і його можна замінити іоном іншого металу без втрати фізіологічної активності ферменту. Такі ферменти віднесені до неспецифічним.

В організмі присутні менш міцні комплекси, які утворюються тільки для виконання певних функцій, після чого розпадаються: наприклад, освіта між іоном металу і ферментом комплексної сполуки на період здійснення каталізу. Більшість таких ферментів має каталітичну активність, але без іона металу вона буде нижчою. Іони металів виконують функцію активаторів. Специфіка металів у цих комплексах не виражена. Він може бути замінений іншим металом без втрати фізіологічної активності. До біологічних сполук з невисокими значеннями констант стійкості можна віднести сполуки, що стабілізують складні структури. Наприклад, утворення металополінуклеотидних комплексів стабілізує подвійну спіраль ДНК. Комплекси з ДНК (переважно з донорним атомом кисню фосфатних груп, частково з донорними атомами азоту основ) утворюють двозарядні іони Mn 2+ , Co 2+ , Fe 2+ , Ni 2+ . Вони взаємозамінні. Проміжне положення між цими двома групами біокомплексів займають дисоціюючі металоферменти. Іони металів у цих комплексах виконують функції кофактора. Наприклад, карбоксипептидаза за відсутності іона металу неактивна. Максимальна активність у присутності іону цинку.

Один мікроелемент може активувати роботу різних ферментів, а один фермент може бути активований різними мікроелементами. Найбільшу близькість у біологічній дії надають ферменти з мікроелементами з однаковим ступенем окиснення +2.

Як видно, для мікроелементів перехідних елементів у їхній біологічній дії характерно більше горизонтальна схожість, ніж вертикальна в періодичній системі Д.І. Менделєєва (у ряді Ti-Zn).Значення атомних та іонних радіусів, енергій іонізації, координаційних чисел, схильність до утворення зв'язків з одними і тими ж елементами в молекулах біолігандів зумовлюють ефекти, що спостерігаються при взаємному заміщенні іонів: може відбуватися як з посиленням (синергізм),так і з пригніченням їхньої біологічної активності (антагонізм)елемента, що заміщується. Іони d-елементів у ступені окислення +2 (Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Zn 2+) мають подібні фізико-хімічні характеристики, що обумовлює їх часткову взаємозамінність та паралелізм у біологічному дії. У вигляді комплексів з органічними сполуками, зокрема в метало-ферментах, вони стимулюють процеси кровотворення, посилюють процеси обміну речовин. Синергізм елементів у процесах кровотворення пов'язаний, можливо, за участю іонів цих елементів у різних етапах процесу синтезу формених елементів крові людини.

Підвищення міцності біокомплексу ферменту підвищує специфічність його біологічної дії. На ефективність ферментативної дії іона металу ферменту впливає його ступінь окислення. Комплексонати, утворені іоном металу з більш високим ступенем окислення, малим розміром іона, більш високою спорідненістю до електрона, мають найбільш високий стимулюючий ефект. За інтенсивністю впливу мікроелементи розташовані в наступний ряд: Ti 4+ Fe 3+ Cu 2+ Fe 2+ Mg 2+ Mn 2+ . Іон Mn 3+ , на відміну від іона Mn 2+ , дуже міцно пов'язаний з білками, причому переважно з кисневмісними групами спільно Fe 3+ входить до складу металопротеїнів. Мікроелементи в комплексонатній формі виступають в організмі як фактор, що визначає, мабуть, високу чутливість клітин до мікроелементів шляхом їх участі у створенні високого градієнта концентрації.

Отже, із підвищенням міцності комплексу підвищується специфічність його біологічної дії.

У живих організмах діє велика кількість ферментів, до складу яких входять іони металів, що виконують такі функції:

1)вони є електрофільною групою активного центру ферменту та полегшують взаємодію з негативно зарядженими ділянками молекул субстрату;

2) іон металу формує каталітично активну конформацію структури ферменту;

3) у ряді випадків іони металу, які можуть перебувати у змінних ступенях окислення, беруть участь у транспорті електронів (багатоядерні комплекси).

Концентрації іонів d-елементів в організмі підтримуються постійними за рахунок існування механізму металолігандного гомеостазу, основними ланками якого є всмоктування, розподіл, транспорт, депонування та елімінація. Параметри всмоктування та елімінації у нормі збалансовані, тобто. при зменшенні надходження до організму того чи іншого мікроелемента зменшується його виведення, і навпаки. Для підтримки постійної концентрації іонів металів в організмі існують депоновані та транспортні форми. Наприклад, залізо в організмі ссавців депонується у складі феритину – водорозчинного білка, в якому знаходиться міцелярне ядро ​​неорганічної сполуки заліза (III). У депонованій формі знаходиться близько 25% заліза. Регуляція металолігандного гомеостазу здійснюється за допомогою нервової, ендокринної та імунної систем. Комплексонати перехідних металів забезпечують збалансованість мінерального харчування, активізують метаболічні процеси, інтенсифікують зростання та розвиток організму.

У живому організмі багато процесів мають циклічний, хвилеподібний характер. Хімічні процеси, що лежать у їх основі, мають бути оборотними. Оборотність процесів визначається взаємодією термодинамічних та кінетичних факторів. До оборотних відносяться реакції, що мають константи від 10 -3 до 10 3 і з невеликим значенням ΔG o - та E°-процесів. За цих умов концентрації вихідних речовин і продуктів реакції можуть перебувати в порівнянних концентраціях, і при зміні їх у певному діапазоні можна добиватися оборотності процесу. З кінетичних позицій мають бути низькі значення енергії активації. Тому зручним переносником електронів у живих системах є іони металів (залізо, мідь, марганець, кобальт, молібден, титан та ін.). Приєднання і віддача електрона викликають зміни лише електронної конфігурації іона металу, не змінюючи значно структуру органічної складової комплексу. Унікальна роль живих системах відведена двом окислювально-відновним системам: Fe 3+ /Fe 2+ і Cu 2+ /Cu + . Біоліганди стабілізують переважно у першій парі окислену форму, тоді як у другій парі - переважно відновлену. Тому у систем, що містять залізо, формальний потенціал завжди нижчий, а у систем, що містять

мідь, що часто вище; окислювально-відновлювальні системи, що мають у своєму складі мідь та залізо, перекривають широкий діапазон потенціалів, що дозволяє їм з багатьма субстратами вступати у взаємодію, що супроводжуються помірними змінами ΔG° та Е°, що відповідає умовам оборотності. p align="justify"> Важливим етапом обміну речовин є відщеплення водню від поживних речовин. Атоми водню переходять при цьому в іонний стан, а відокремлені від них електрони надходять у дихальний ланцюг; в цьому ланцюгу, переходячи з одного з'єднання до іншого, вони віддають свою енергію на утворення одного з основних джерел енергії - адено-зинтрифосфорну кислоту (АТФ), а самі зрештою потрапляють до молекули кисню і приєднуються до неї, утворюючи молекули води. Містком, яким осцилируют електрони, служать комплексні сполуки заліза з порфириновым ядром, аналогічні за складом гемоглобіну.

Велика група залізовмісних ферментів, що каталізують процес перенесення електронів у мітохондріях, називається цитохромами (ц.х.). Загалом відомо близько 50 цитохромів.Цитохроми є залізопорфіринами, в яких всі шість орбіталей іону заліза зайняті донорними атомами біоліганду. Відмінність цитохромів лише у складі бічних ланцюгів порфіринового кільця. Варіації у структурі біоліганду викликає різницю у величині потенціалів. Всі клітини містять принаймні три близькі за будовою білки, названі цитохромами а, b, с.

Одним із механізмів функціонування цитохромів, що становлять одну з ланок електронно-транспортного ланцюга, є перенесення електрона від одного субстрату до іншого.

З хімічної точки зору цитохроми є сполуками, що виявляють у оборотних умовах окислювально-відновну двоїстість.

Перенесення електрона цитохромом супроводжується зміною ступеня окиснення заліза: ц.г. Fe 3+ + ē → ц.г. Fe 2+.

Іони кисню реагують з іонами водню навколишнього середовища та утворюють воду або перекис водню. Пероксид швидко розкладається спеціальним ферментом каталазою на воду та кисень за схемою:

Фермент пероксидазу прискорює реакції окиснення органічних речовин перекисом водню за схемою:

Ці ферменти у своїй структурі мають гем, у якого перебуває залізо зі ступенем окислення +3.

У ланцюзі перенесення електронів цитохром передає електрони цитохромам, званим цитохромоксидазами.Вони мають у своєму складі іони міді. Цитохром – одноелектронний переносник. Наявність поряд із залізом у складі одного з цитохромів міді перетворює його на двоелектронний переносник, що дозволяє регулювати швидкість процесу.

Мідь входить до складу важливого ферменту - супероксиддисмутази (СОД), яка утилізує в організмі токсичний супероксид аніон-радикал O 2 шляхом реакції:

Водородпероксид розкладається в організмі під дією каталази.

В даний час відомо близько 25 мідь містять ферментів. Вони складають групу оксигеназ та гідроксилаз.

Комплекси перехідних елементів є джерелом мікроелементів у біологічно активній формі, що володіють високою мембранопроникністю та ферментативною активністю. Вони беруть участь у захисті організму від «окислювального стресу».Це пов'язано з їх участю в утилізації продуктів метаболізму, що визначають неконтрольований процес окислення (перекисами, вільними радикалами та іншими кисневими частинками), а також в окисленні субстратів. Механізм вільнорадикальної реакції окислення субстрату (RH) перекисом водню за участю як каталізатор комплексу заліза (FeL) можна представити схемами реакцій:

Подальше перебіг радикальної реакції призводить до утворення продуктів з більш високим ступенем гідроксилювання.

10.5. ВЛАСТИВОСТІ СПОЛУКІВ Р-ЕЛЕМЕНТІВ

10.5.1. Загальна характеристика р-елементів та їх сполук

Елементи, у яких відбувається добудова р-підрівня зовнішнього валентного рівня, називають р-елементами,вони утворюють основні підгрупи. Електронна будова валентного рівня ns 2 р 1-6. Валентними є електрони s- та р-підрівнів. Положення р-елементів ПСЕ представлено в табл. 10.9.

Таблиця 10.9.Положення р-елементів у періодичній системі елементів

Примітка: () – метали життя; - Умовно біогенні елементи.

Елементи-органогени мають невеликі радіуси атомів та проміжні значення електронегативностей, що сприяє утворенню міцних ковалентних зв'язків.

У періодах зліва направо зростає заряд ядер, вплив якого переважає збільшенням сил взаємного відштовхування між електронами. Тому потенціал іонізації, спорідненість до електрона, а отже, акцепторна здатність та неметалічні властивості у періодах збільшуються. Всі елементи, що лежать на діагоналі B-At і вище, є неметалами і утворюють тільки ковалентні сполуки та аніони. Всі інші р-елементи (за винятком In, Tl, Po, Bi, які виявляють металеві властивості), є амфотерними елементами і утворюють як катіони, так і аніони, причому ті й інші сильно гідролізуються. Більшість р-елементів-неметалів – біогенні (виняток – телур, астат та благородні гази). З р-елементів-металів до біогенних відносять лише алюміній.

Відмінності у властивостях сусідніх елементів як усередині, і по періоду виражені значно сильніше, ніж у s-елементів. р-Елементи

другого періоду - азот, кисень, фтор - мають яскраво виражену здатність брати участь у освіті водневих зв'язків. Елементи третього та наступного періодів цю здатність втрачають.Їх схожість полягає лише у будові зовнішніх електронних оболонок та тих валентних станів, які виникають за рахунок неспарених електронів у незбуджених атомах. Бор, вуглець і особливо азот сильно від інших елементів своїх груп (наявність d- і f-подуровней).

Зазначені тенденції освіти різних типів зв'язків представлені на рис. 10.5 для елементів ІІ та ІІІ періодів.

Мал. 10.5.Закономірності утворення сполук елементів ІІ та ІІІ періодів

Всі р-елементи, і особливо р-елементи другого та третього періодів (С, N, P, О, S, Si, Cl), утворюють численні сполуки між собою та з s-, d- та f-елементами. Більшість відомих Землі сполук - це сполуки р-элементов. П'ять головних (макробіогенних) р-елементів – О, P, С, N та S – це основний будівельний матеріал, з якого складені молекули білків, жирів, вуглеводів та нуклеїнових кислот.З низькомолекулярних сполук р-елементів найбільше значення мають оксоаніони: 3 2- , НСО 3 - , С 2 О 4 2- , СН 3 СОО - , РО 4 3- , НРО 4 2- , H 2 PO 4 - , SО 4 2- та галогенідіони. p-Елементи мають багато валентних електронів, що володіють різною енергією. Тому в сполуках виявляють різний ступінь окиснення. Наприклад, вуглець виявляє різні ступені окислення від -4 до +4. Азот – від -3 до +5, хлор – від -1 до +7.

У процесі реакції р-елемент може віддавати та приймати електрони, виступаючи відповідно відновником або окислювачем залежно від властивостей елемента, з яким вступає у взаємодію. Це породжує широкий асортимент утворених ними сполук. Взаємоперехід атомів р-елементів різних ступенів окислення, у тому числі і за рахунок метаболічних процесів (окислення спиртової

Сполуки вуглецю виявляють окислювальні властивості, якщо в результаті реакції атоми вуглецю збільшують кількість його зв'язків з атомами менш електронегативних елементів (метал, водень), тому що, притягуючи до себе загальні електрони зв'язків, атом вуглецю знижує свій ступінь окислення:

З'єднання вуглецю виявляють відновлювальні властивості, якщо в результаті реакції атоми вуглецю збільшують кількість його зв'язків з атомами більш електронегативних елементів (О, N, S), тому що, відштовхуючи від себе загальні електрони цих зв'язків, атом вуглецю підвищує свій ступінь окислення:

Перерозподіл електронів між окислювачем і відновником в органічних сполуках може супроводжуватися лише усуненням загальної електронної щільності хімічного зв'язку до атома, що виконує роль окислювача. У разі сильної поляризації цей зв'язок може розірватися.

10.5.2. Медико-біологічне значення p-елементів та їх сполук

Азот є біогенним елементом, необхідним існування тварин і рослин, він входить до складу білків (16-8% за масою), амінокислот, нуклеїнових кислот, нуклеопротеїдів, хлорофілу, гемоглобіну та ін. У складі живих клітин за кількістю атомів азоту близько 2% , за масовою часткою - близько 2,5% (4-е місце після водню, вуглецю та кисню). Кларк азоту у земній корі дорівнює

0,025%.

Азот – основний компонент повітря: його об'ємна частка дорівнює 78,2%. У повітрі, що вдихається, азот служить корисним розчинником кисню. Однак внаслідок розчинення азоту в крові при різкому зниженні навколишнього тиску можливе виникнення кесонної хвороби.

Аміак NH 3 в організмі людини є одним із продуктів дезамінування амінокислот, білків, біогенних амінів, пуринових та піримідинових основ, що надходять з їжею.

В організмі людини обов'язково синтезується NO за допомогою ферменту NO-синтази з амінокислоти аргініну. Час життя NO у клітинах організму близько секунди, та їх нормальне функціонування неможливе без NО. Ця сполука забезпечує розслаблення гладкої мускулатури м'язів судин, регуляцію роботи серця, ефективну роботу імунної системи, передачу нервових імпульсів. Припускають, що NO забезпечує важливу роль у навчанні та запам'ятовуванні.

Окисно-відновні реакції, в яких беруть участь р-елементи, лежать в основі їх токсичної дії на організм.Токсична дія оксидів азоту пов'язана з їхньою високою окислювально-відновною здатністю. Нітрати, які у продукти харчування, в організмі відновлюються до нітритів.

Нітрити мають високі токсичні властивості. Вони перетворюють гемоглобін на метгемоглобін, який є продуктом гідролізу та окислення гемоглобіну.

В результаті гемоглобін втрачає здатність транспорту кисню до клітин організму. В організмі розвивається гіпоксія. Крім того, нітрити, як солі слабкої кислоти, реагують із соляною кислотою в шлунковому вмісті, утворюючи при цьому азотисту кислоту, яка з вторинними амінами утворює канцерогенні нітрозаміни:

Фосфор та його сполуки грають видатну роль біології людини, тварин, рослин, мікроорганізмів та інших носіїв життя. «Фосфор – елемент життя та думки» – писав А.Є. Ферсман. В організмі людини міститься близько 1% фосфору за масою, що дозволяє сміливо віднести його до макроелементів. Добова потреба у фосфорі становить 1,3 р. У природі та організмі фосфор зустрічається лише у формах, що містять фосфат-аніон. Це пов'язано з тим, що фосфор утворює з киснем міцніші зв'язку, ніж коїться з іншими органогенами. Усі вони мають тетраедрическую структуру, у якій атом фосфору розташований у центрі тетраедра, а атоми кисню - у вершинах. Тетраедричні структури можуть поєднуватися між собою однією, двома або трьома вершинами. При об'єднанні двома вершинами утворюються поліфосфати, наприклад, трифосфатіон.

Фосфати в живих організмах служать структурними компонентами скелета, клітинних мембран та нуклеїнових кислот. Кісткова тканина побудована головним чином гідроксиапатиту Са 5 (РО 4) 3 ВІН. З 1,5 кг фосфору умовної людини 1,4 кг містяться у кістковій тканині. Основу клітинних мембран складають фосфоліпіди. У фосфо-ліпідах фосфорна кислота утворює два складноефірні зв'язки: один з гліцерином, інший - з аміноспиртом (холінолом, етаноламіном або серином). Нуклеїнові кислоти складаються з рибозоїлу дезокси-рибозофосфатних ланцюгів. У ланцюгах полінуклеотидів - ДНК і РНК - кожний залишок фосфорної кислоти, крім двох кінцевих, утворює по два складноефірні зв'язки: одну з групою -ОН у положенні С-5" залишку пентози одного полінуклеотиду, а іншу - з групою -ОН у положенні С- 3" залишку пентози сусіднього полінуклеотиду.

В.А. Енгельгардом та М.М. Любимовим відкрито енергетичну роль фосфору в живих організмах. В.А. Енгельгард ще 1948 року писав, що біохімічну динаміку клітини можна характеризувати як хімію сполук фосфорної кислоти. За останні 40-50 років накопичилося безліч даних про різноманітне значення органічних і неорганічних сполук фосфору в біологічних системах. З'ясовано їх ключову роль практично у всіх процесах анаболізму та катаболізму, зокрема гліколізу та фотосинтезу, складання макромолекул та акумуляції енергії. Фосфор входить

до складу нуклеопротеїнів, фосфоліпідів, цукрофосфатів, ряду вітамінів та ферментів. Органічні сполуки фосфору беруть участь у багатьох окислювально-відновних реакціях: карбоксилірування, декарбоксилювання, ацетилювання, переамінування, а також як коферменти перенесення фосфатних груп АТФ, АДФ і АМФ.

Високомолекулярні неорганічні поліфосфати є лінійними полімерами ортофосфорної кислоти, в яких фосфорні залишки пов'язані між собою фосфоангідридними зв'язками. Вони є практично в усіх груп організмів. У найбільшій кількості вони накопичуються у клітинах мікроорганізмів, зокрема у деяких бактеріях, становлячи за певних умов вирощування до 36% сухої речовини клітини. З моменту відкриття у бактерій гранул волютину, які в основному складаються з осмотично інертних високомолекулярних поліфосфатів кальцію, магнію і калію, ці біополімери стали розглядати в першу чергу як резерви фосфату. Високомолекулярні поліфосфати бактерій аналогічні за функціями так званих «фосфогенів» тварин – креатинфосфату та аргінінфосфату. Фосфогени - це сполуки, як яких у клітинах хіба що «складаються» багаті енергією фосфатні залишки АТФ і які у той час у будь-який потрібний момент можуть використовуватися синтезу цього найважливішого макроэр-гического сполуки.

Багато коферментів є ефірами або фосфорної, або дифосфорної кислот. Найважливіші окислювачі в метаболічних

окисно-відновних реакціях - нікотинамідинуклео-тид (НАД+) і флавінаденіндінуклеотид (ФАД) - складні ефіри дифосфорної кислоти. Відновлена ​​форма нікотинамідинукле-отидфосфату (НАДФH) виконує функцію відновника в багатьох метаболічних реакціях.

З'єднання фосфору знаходять широке застосування у народному господарстві та медицині. Багато фосфорорганічних речовин застосовуютьсяяк лікарські препарати, наприклад димефосфон надає мембраностабілізуючу, імуномодулюючу та радіопротекторну дії, клодронова кислота інгібує кісткову резорбцію і нормалізує вміст кальцію в кістковій тканині.

В якості фосфорних і комплексних добрив використовуються найчастіше суперфосфат Са(Н 2 РO 4) 2 , преципітату СаНРO 4 і амофосу - суміш кислих солей амонію та ортофосфорної кислоти (NH 4) 2 HPO 4 і NH 4 H 2 PO 4 . Ортосфорна кислота застосовується в ряді країн як підкислювач різних напоїв. Гідрофосфати калію KH 2 PO 4 і К 2 НРО 4 входять до складу пекарських дріжджів, гідрофосфат калію K 2 HPO 4 є одним із компонентів живильного середовища для вирощування грибів, які продукують пеніциліни. Гексагідрат трифосфату натрію № 5 Р 5 Про 10 6Н 2 O додається в деякі продукти для підвищення їх однорідності (сири, молоко, що згущує та ін.). Трифосфат натрію є також компонентом багатьох миючих засобів. Дигідрофосфат натрію обмежено застосовується як проносне в клізмах.

Біологічна дія високомолекулярних органічних сполук (амінокислот, поліпептидів, білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот) визначається атомами (N, P, S, О) або групами атомів, що утворюються (функціональними групами), в яких вони виступають як хімічно активні центри, донори. електронних пар, здатних до утворення координаційних зв'язків з іонами металів та органічними молекулами.Отже, р-елементи утворюють полідентат-ні хелатуючі сполуки (амінокислоти, поліпептиди, білки, вуглеводи та нуклеїнові кислоти). Для них характерні реакції комплексоутворення, амфотерні властивості, реакції гідролізу аніонного типу. Дані властивості визначають їх участь у основних біохімічних процесах, у забезпеченні стану ізогідрії. Вони утворюють білкові, фосфатні, гідрокарбонатні буферні системи. Беруть участь у транспорті поживних речовин, продуктів метаболізму та інших процесах.

10.6. РОЛЬ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ПРОЦЕСАХ АДАПТАЦІЇ ОРГАНІЗМУ ДО ВПЛИВ НЕБЛАГОПРИЯТНИХ ФАКТОРІВ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

Однією з центральних проблем у сучасній біології та медицині, що має фундаментальну значущість, має адаптація, яка проявляється як на популяційному, так і на індивідуальному рівнях. В даний час на арену життя виходять принципово нові впливи, які загрожують сталості збереження внутрішнього середовища організму, викликають напругу як найбільш універсальних, так і досить специфічних регуляторних та гомеостатичних систем. Крім того, збільшується число діючих факторів різної природи, починаючи від космічних, фізичних, хімічних, включаючи лікарські препарати, та соціальні, що наводить проблему адаптації та еволюції організму в нове русло, що визначається тим, що кінцевий біотропний ефект, тобто. збереження сталості внутрішнього середовища, досягається величезною напругою великої кількості сполучених між собою систем, які в ряді випадків вже не здатні виконувати свої еволюційно закріплені функції, що загрожує настанням хвороб адаптації.

Необхідно керувати адаптацією, сприяти підвищенню витривалості організму. Однією з умов для цього є своєчасне, повноцінне та раціональне харчування. Недостатність чи надмірність мінеральних речовин, мікроелементів у раціоні позначаються діяльності організму, знижують його опірність, отже, і здатність адаптації. На основі багатофакторності слід розробити науково-обґрунтовані підходи щодо оцінки норми здоров'я. Якщо норма здоров'я це рівновага з місцем існування, то будь-яке стійке порушення гомеостазу є хвороба.

Одним з головних завдань екологічної фізіології та медицини є глибоке вивчення механізмів адаптації з метою використання захисних ефектів для лікування та профілактики хвороб, а також дослідження адекватних методів відтворення захисних ефектів адаптації за допомогою фармакологічних засобів та природних адаптогенів. Окисно-відновні процеси в організмі відбуваються в присутності оксидоредуктаз. Кофакторами оксидоредуктаз є перехідні метали (желе-

зо, мідь, марганець, молібден), що утворюють з білком ферменту комплексні сполуки. Оскільки перехідні метали виявляють змінну ступінь окислення, вони можуть виступити і окислювачем, і відновником і бути переносником електронів, протонів, і навіть бути компонентом електронно- і протонно-транспортних ланцюгів. Одна з особливостей окислювально-відновних процесів - можливість їх протікання як за гомолітичним, так і за гетеролітичним механізмом, коли частинками, що реагують, є радикали. Усі окислювально-відновні процеси, глибина та швидкість яких контролюється ферментами, протікають за гетеролітичним механізмом. У той же час в організмі має місце вільнорадикальне окислення-відновлення, яке за низької інтенсивності є метаболічно нормальним. Вільні радикали беруть участь у процесах клітинного поділу, освіті мембран та багатьох інших важливих процесах. Це необхідно, поки інтенсивність утворення радикалів та їх концентрація в клітині не перевищує певну норму. Головним джерелом радикалів є кисень, так як молекула кисню бірадикал О 2 при повному відновленні про-єднує 4 електрона і 4 протона і перетворюються на 2 молекули H 2 О. При екстремальних умовах утворення кисневих радикалів посилюється, так як інтенсифікується окисне фосфорил ксенобіотиків. В організмі вільнорадикальне окислення стримується малокомпонентною антиоксидантною системою, яка перетворює радикали на малоактивні сполуки, перериває ланцюгові реакції. Ці функції здійснюють антиоксидантні та антиперекисні ферменти: супероксиддисмутаза, каталаза, глутатіонпероксидаза.

Антиоксиданти - речовини, що оборотно реагують з вільними радикалами і окислювачами і захищають від їх впливу на життєво важливі метаболіти (Слєсарєв В.І., 2000). Весь цей великий клас сполук поєднує визначення, дане J.M. Gutteridge у 1995 році: «Антиоксидант - це сполука, яка присутня в низьких, порівняно з субстратом, що окислюється, концентраціях істотно затримує або інгібує його окислення».Коферменти утворюють міцні зв'язки із низкою біологічно активних органічних сполук: убихинонами, флавоноїдами, аскорбінової кислотою. Ефективними антиоксидантами є тіоли R-SH, тобто. сполуки, що містять тіольну групу, яка за рахунок сірки зі ступенем окислення -2 легко окислюється, утворюючи дисульфіди R-S-S-R (тіол-дисульфідна система):

За рахунок сильних відновлювальних властивостей тіоли є ефективними пастками радикалів, тому на їх основі створені радіопротектори – засоби, що захищають організм від радіації (унітіол).

Нині накопичено безліч даних, що підтверджують залежність елементного складу живих організмів, зокрема людини, від вмісту хімічних елементів серед існування, тобто. склад внутрішнього середовища організму зазнає впливу зовнішнього середовища. Так, концентрації As, Pb, Ni, Mn та Cu у волоссі дітей позитивно корелюють одночасно з рівнем цих елементів у ґрунті та питній воді, відібраних у місцях їх проживання, а концентрації Cd та Мо – тільки з рівнем їх у воді, Zn, Cr і В - тільки з рівнем їх у пробах ґрунту (рис. 10.6).

При докладному розгляді загальних закономірностей зв'язку елементного складу зовнішнього та внутрішнього середовищ вченими встановлено, що у всіх природних системах (і об'єктах) концентрація елемента зменшується зі збільшенням його відносної атомної маси або порядкового номера (заряду) (Кіст А.А., 1987; 1990) . Прямий зв'язок елементних складів зовнішньої та внутрішньої середовищ можна припускати лише на початковій стадії зародження життя, коли зовнішнє та внутрішнє середовища протобіонтів могли бути практично ідентичними щодо елементного складу.

У міру ускладнення живих організмів залежність стає більш складною та нелінійною. Спочатку концентрація елемента у живому організмі зростає зі збільшенням його концентрації у зовнішньому середовищі. Після досягнення певних рівнів накопичення елемента у внутрішньому середовищі організм зменшує частку елемента, що надходить (зниження абсорбції та посилення екскреції) в результаті включення захисних механізмів і природних бар'єрів. Згодом, як свідчить А.А. Кіст (1987), залежно від виду організму, органу, що вивчається, способу введення елемента і його сполуки та ряду інших факторів, спостерігається або незначне подальше зростання концентрації, або його припинення і збереження сталості, або нове різке, але короткочасне збільшення концентрації у внутрішньому середовищі .

У всіх цих випадках відзначаються виражені патофізіологічні зміни та, нарешті, загибель організму. Слід зазначити, що живі організми, у тому числі людина, мають різну чутливість.

Мал. 10.6.Кореляція між концентрацією мікроелементів у ґрунті, питній воді та волоссі дітей (відстань 0,5, 1, 5 км від металургійного заводу м. Золотоуста, Челябінська область) (за Скальною О.В., 2004)

до зміни концентрації у зовнішньому середовищі різних хімічних елементів. Макро- та мікроелементи, які беруть активну участь у регуляції обмінних процесів в організмі людини, можна умовно розділити на елементи з низькою, середньою і високою гомеостатичною ємністю.

Структура міжорганних та міжсистемних взаємодій найбільш повно відображає перехідний (тригерний) характер процесів

адаптації, розкриваючи не лише кількісні, а й якісні особливості взаємодії регуляторних та гомеостатичних систем організму, дозволяючи тим самим оцінити та виявити основні та периферичні контури регуляції провідних фізіологічних та метаболічних процесів залежно від структури та екстремальності діючих середовищних факторів (Fowler В.А., 1990; Kabata-Pendias A., 1992; Куликов В.Ю., 2003). Тригерний характер регуляції активних реакцій ґрунтується на появі нової якості в системних механізмах регуляції оборотно за рахунок ефективного функціонування пов'язаних між собою прямих або зворотних зв'язків.

Принцип Ле Шательє говорить, що в біосистемах на кожну дію формується така ж за силою та характером протидія, яка врівноважує біологічні регуляторні процеси та реакції. При патологічних процесах існуюча замкнутість регуляторного контуру порушується. Залежно від рівня нерівноважності змінюється якість міжсистемних і міжорганних відносин, вони набувають все більш нелінійного характеру. Структуру та специфіку цих взаємин підтверджує аналіз між показниками системи перекисного окислення ліпідів та рівнем антиоксидантів, між гармонійними показниками в умовах адаптації та патології (Куликов В.Ю., 2003). Дані системи беруть участь у підтримці антиокислювального гомеостазу. Показником високих антиоксидантних властивостей ендогенних адаптогенів, що забезпечують сталість концентрації окислювачів в організмі, є вміст церулоплазміну в крові, що протидіє негативному впливу антропогенних факторів, які, як правило, сприяють формуванню окисного середовища в організмі, що визначає вміст у крові малонового альдегіду. При застосуванні фосфоровмісних комплексонатів титану та БАД люцевіта у технології вирощування курчат бройлерів у дозі 0,05-1,5 мг/кг живої маси відзначено тригерний характер взаємовідносин церулоплазміну та прооксиданту малонового діальдегіду. У крові курчат вміст церулоплазміну зростає, а малоновий діальдегід знижується. Отже, препарат є активним біорегулятором вільно радикальних процесів, системою утилізації активних форм кисню, перекису водню та дугих радикалів. Їх ферментативна дія аналогічна і ефективніша дії пероксидази та каталази.

10.7. БІОРЕГУЛЯТОРНІ ВЛАСТИВОСТІ КОМПЛЕКСОНАТІВ МЕТАЛІВ

10.7.1. Значення концентрації комплексонатів металів у їх біологічній дії

Проведено дослідження біорегуляторних властивостей комплексонатів металів (ФКМ) у хронічному експерименті на рослинах та тваринах (бджолах, курчатах, мишах, щурах, свинях) у широкому інтервалі концентрацій (Жолнін А.В., 2005).

Мал. 10.7.Крива реакції рослини на введення фосфоровмісного комплексонату титану (ФКТ)

Біостимулююча дія ФКП знаходиться у прямопропорційній залежності від його концентрації у вивченому інтервалі концентрацій, до 0,5% розчину ФКТ (рис. 10.7).

Фосфоровмісні комплексонати титану інтенсифікують зростання та розвиток рослин. Застосування в виробництві картоплі підвищує врожайність до 30-40%, знижує нітрати на 25-30%, нейтралізує шкідливий вплив несприятливих екологічних і метеорологічних чинників. Сполуки титану прискорюють біосинтез амінокислот, активізують ліпоксигеназну активність. Опірність до різних захворювань підвищується вдвічі.

Хелати титану впливають на відтворювальні функції свиноматок. При введенні 0,05 мг/кг живої маси титану багатоплідність свиноматок збільшується на 16%. Виживання поросят до відлучення збільшується

на 37,5%. Зростання живої маси максимальне при концентрації хелату 0,15 мг Ti/кг. При дозі 0,05 мг/кг середньодобовий приріст живої маси становить 537 г, за репродуктивний цикл – 17,1 кг. Перетравлюваність сухої речовини підвищується на 5,3%, органічної речовини на 4,8%, протеїну на 3,9%, сирої клітковини на 52%. У сироватці крові підвищується концентрація амінного азоту, загальних ліпідів, β-ліпопротеїдів та знижується вміст сечовини та холестерину.

На мишах та щурах показано позитивний вплив ФКТ на процеси обміну речовин (білкового, вуглеводного та ліпідного), підтримання мікро- та макроелементного гомеостазу.

Враховуючи єдність імунної та метаболічної систем резистентності організму, пояснено участь гетеровалентних та гетероядерних сполук титану у захисті організму від «окислювального стресу» та в окисленні субстратів. Ферментативна дія комплексонатів титану аналогічна і більш ефективна дії пероксидази та каталази. Сполуки титану беруть участь у підтримці антиокислювального гомеостазу організму, є активними регуляторами вільнорадикальних процесів та систем утилізації активних форм кисню, беруть участь в окисленні субстратів. У хронічних експериментах на мишах встановлено низку елементів, розташованих у порядку зниження їх елімінації з організму: Ti >> Al >> Cr. Взаємодія біологічних об'єктів з малими та надмалими дозами цих елементів має низку специфічних особливостей. При надмалих дозах речовини, коли зникають побічні ефекти, проявляється специфіка реакції реакції організму. При введенні речовини в дозі 10 -12 моль у клітині буде від 1 до 10 молекул речовини і спостерігається немонотонна, нелінійна залежність «доза-ефект». Це може бути пов'язане із спільністю критичних станів клітинних та субклітинних мембран та особливостями кінетики реакцій, у яких важливу роль відіграють слабкі взаємодії. Крива залежності активності препарату від концентрації субстрату має складний вигляд і може бути представлена ​​у першому наближенні як поєднання гіперболи та сигмоїди (рис. 10.8). Гіперболічна залежність є звичайною для опису функцій білків-ферментів.

Робоча ланка фосфоровмісних комплексонатів титану є пентамером гетеровалентних багатоядерних комплексів титану (ГВК) з різним складом і будовою як комплексоутворювача, так і місткових лігандів, в якості яких виступають комплексо-ни. У різних тканинах набір субодиниць різний (Болдирєв А.А., 1997). Фермент працює як олігомерних асоціатів. З цих позицій зрозуміла роль ліпідного оточення ферменту. Від упаковки ліпід-

ного бислоя залежить ефективність взаємодії індивідуальних молекул ферменту в мембрані. Тобто зміна в'язкості мікрооточення білкових молекул дозволить керувати взаємодією між білками в олігомерних комплексах і регулює активність мембранних асоціатів і забезпечує тонке налаштування їх роботи на нагальні потреби клітини.

Мал. 10.8.Залежність біологічної дії комплексонатів металів у функції їхньої концентрації

Адаптогенні властивості речовин вивчали об'єктах різного рівня біологічної організації (органі, клітині, тканини). У роботі (Бурлакова Е.Б., 1999) наведено оглядові та власні дані вивчення біологічної дії речовин у широкому діапазоні концентрацій: від 10 -2 -10 -4 М (звичайні концентрації) до 10 -6 -10 -16 М (ультрамалі концентрації ).

У дослідженнях на тваринах початкова доза (10 -3 мольТi/кг живої маси) була токсичною. Подальше зниження концентрації комплексонату титану мало менший токсичний ефект (див. рис. 10.8). Потім збігалося з контрольними результатами. Подальше зменшення дози призводило до зміни знака ефекту.

та. Доза 10 -4 моль Ti/кг живої маси була активною. Препарат має антиоксидантну дію, рівень якого зростав у міру зниження концентрації. При подальшому зниженні концентрації спостерігали полімодальну залежність. Потім у дозовій залежності виявляється «зміна знака» ефекту. В області малих доз відзначалася інгібуюча активність, яка в подальшому змінювалася на стимулюючу дію, що зростає в міру зниження концентрації (10 -6 -10 -7 мольTi/кг живої маси) препарату. Подальше зниження дози призводило до зниження антиоксидантних властивостей. Як випливає з результатів досліджень, біологічна активність комплексонатів титану (ФКТ) при звичайних (10 -3 мольTi/кг живої маси) і малих (10 -6 мольTi/кг живої маси) концентрація однотипна, що вказує на спільність механізму їх дії. Максимуми стимулюючої, інгібуючої дії речовин спостерігаються при певній дозі.

При малих концентраціях, коли з→ 0 (≤10 -6 мольTi/кг живої маси) відбувається формування мономолекулярного шару ферменту на поверхні плазматичної мембрани. У цих умовах величина біостимулюючої дії прямо пропорційна концентрації БАВ. Збільшення дози титану призводить до поступового насичення мембрани молекулами ферменту, формування моношару. При великих концентраціях, коли починається процес формування другого шару, спостерігається смуга концентраційного ферментативного «бездіяльності». Наголошується слабка залежність інтенсивності біологічної дії від дози речовини. Відбувається процес формування полімолекулярного шару внаслідок міжмолекулярної взаємодії комплексонату титану, зміни конформації молекул та утворення олігомерних асоціатів. Процес закінчується різким збільшенням біостимулюючої дії, що з формуванням полімолекулярного шару.

Отже, біоефекти фосфоровмісних комплексонатів титану носять дозо-, природо-, вікозалежний, універсальний, імунотропний, антиоксидантний, антистресорний, буферний, дезінтоксикаційний та циклічний характер.

10.7.2. Роль органічної складової комплексонатів металів у їх біологічній дії

Речовини, що забезпечують зниження градієнта концентрації, пригнічують внутрішньоклітинні процеси (Бурлакова Е.В., 1999).

Різноманітні механізми контролю регулюють активність клітинних ферментів за зміни існуючих у клітині умов. Найбільш загальна форма регуляції - це легкооборотні інгібовані за принципом зворотний зв'язок, коли перший фермент метаболічного шляху інгібується кінцевим продуктом цього шляху. Більш тривала форма регуляції включає хімічну модифікацію одного ферменту під дією іншого, що часто відбувається в результаті фосфорилювання. Зміна конформації ферменту посилює чи пригнічує його ферментативну активність. Механізм активного вторинного транспорту розглянутий Пітером Мітчелом у хеміо-осмотичній теорії окисного фосфорилювання, в основі якої лежить поєднання хімічних реакцій з осмотичним тиском. Мембранне регулювання здійснюється завдяки змінам у мембранному транспорті, зв'язуванню або звільненню ферментів, зміні його конформації, а отже, зміні активності мембранних ферментів. На активність ферментів впливає концентрація речовин, що піддаються перетворенням. Велика концентрація субстрату знижує швидкість ферментативної реакції. Відзначено також, що мембранні ферменти утворюють олігомерні асоціати. Від упаковки ліпідного оточення ферментів залежить ефективність взаємодії ферментів у мембрані, в'язкість мікрооточення ферменту і активність мембранних асоціатів.

Вивчено біологічну дію комплексонату калію з рядом фосфоровмісних комплексонів з різним числом фосфонових груп. Додаткова обробка рослин комплексонатами калію в період цвітіння призводить до зниження вмісту хлорофілу в листі при одночасному підвищенні врожайності. Змінюється активність хлоропластів. Знижується, а потім припиняється процес поновлення хлорофілу. Припиняється зростання надземної маси. Через 72 години після початку цвітіння вміст хлорофілу в контролі знижується тільки на 3,9%, а на кущах, оброблених пестицидами групи ФКК, - на 33-47%. Отримані дані свідчать про те, що калієві солі нейтралізують стимулюючу дію титану та заліза. Вони виступають як антиферменти. Антиферментативна дія зростає із збільшенням концентрації хелатоутворюючого іона в системі.Дані умови сприяють руйнуванню гетеровалентних поліядерних сполук титану та заліза - комплексів перенесення електрона та утворенню моноядерних сполук, у яких спостерігається зміна складу та геометрії активного центру ферменту (Алостеричний ефект).

Іон калію належить до деструктуруючих іонів у водних розчинах і сприяють руйнуванню ферментативної системи, що забезпечує біостимулюючу дію комплексів титану та заліза. В результаті обробка рослини фосфорсодержащими комплексом s-елементів змінює спрямованість біологічної дії.

Вперше (Ковальський В.В., 1991) звернув увагу на те, що активність та спрямованість дії ферментів визначається природою ферменту, наявністю конкуруючих частинок, результатом конкуруючого комплексоутворення. Перебіг біохімічного процесу підпорядковується закону мас. В.В. Ковальський позначив цей процес як ферментативна адаптація

Ферментативна адаптація використовується для розробки технологій виробництва тварин і рослин. Підвищення врожайності в результаті другої обробки рослин розчином калієвих солей є результатом інтенсифікації фізіологічних процесів, пов'язаних із руйнуванням монолігандних гетеровалентних комплексів титану та транспортуванням пластичних речовин у бульби картоплі. У результаті рослини скорочується вегетаційний період. Якість бульб підвищується. Вміст нітратів знижується на 24%, а при зберіганні бульб ще на 40% (у контролі лише на 25%). Збільшення врожайності спостерігається до 20%.

Таким чином, обробка комплексонатами перехідних елементів у період бутонізації рослини стимулює зростання та розвиток організму, а обробка комплексонатами s-елементів – інгібує процес росту та розвитку, що забезпечується зниженням градієнта концентрації на мембрані рослинної клітини. Це сприяє підвищенню врожайності та швидкому переходу рослини у стан спокою. Випробування показали, що фосфонові групи підвищують біологічну ефективність ФКМ.

10.7.3. Роль гідратної оболонки комплексонатів

металів у їх біологічній дії

Діяльність В.Є. Литвиненко (1982) показано кореляцію між біологічною дією біорегулятора та будовою його гідратної оболонки. Фосфоровмісні комплексонати перехідних елементів мають потужну гідратну оболонку фізично та хімічно сорбованих молекул води, що обумовлено особливостями будови іонів перехідних елементів та полідентатних лігандів. Іони металів пере-

ходних елементів мають сильні електрофільні властивості (велика кількість валентних електронів з різною енергією, велика кількість вільних орбіталей), що визначає високе координаційне число. Одним з етапів утворення гідратованих комплексів є заміщення молекул води гідратної оболонки ФКМ на донорно-акцепторні групи білка (утворення водневих та інших зв'язків) та підвищення мембранної проникності. Тому ФКМ мають високе співвідношення зовнішньосферної (вільної) та внутрішньосферної (пов'язаної) води, це визначає високу біологічну активність. Внутрішньосферна вода утворює велику кількість водневих зв'язків із атомами кисню комплексону, що призводить до високої температури її відщеплення, зовнішньосферна вода майже не утворює водневих зв'язків, при цьому міжмолекулярні водневі зв'язки не виникають. Полідентатні ліганди, що володіють високими нуклеофільними властивостями, високою координаційною ємністю, виявляють до 14 різних типів взаємодій з сусідніми іонами металів як хелатно-місткові ліганди і визначають ефект субстехіометричного взаємодії ФКМ.Координаційне насичення частинок перетворює токсичні форми на малотоксичні і навіть біологічно активні.Формування складу, геометрії біокомплексів та їх транспорт в організмі відбуваються за участю їх гідратної оболонки.

Вивчено склад полімерних форм фосфорсодержащих комплексів титану (Жолнін А.В., Носова Р.Л., 1997) з нітрило-триметиленфосфонової кислотою: 12H 2 O (1) і 10H 2 O (2).

ІЧ-спектроскопія та методи ядерного магнітного резонансу (ЯМР) показали наявність у комплексах вільної та зв'язаної води (пов'язана вода - вільна вода - зв'язана вода - вільна вода), співвідношення яких у зразку (1) дорівнює 4:1, а у зразку (2 ) - 1,6:1, що підтверджено вищою біостимулюючою дією першого зразка на зростання та розвиток картоплі.

Важливою умовою росту та розвитку рослин є нормальний стан тургору клітини. Встановлено вплив обробки комплексів на кінетику випаровування води листям картоплі, тургорний стан клітини. Листя краще зберігали тургор. При посусі відношення вільна/пов'язана вода у рослині зміщується убік останньої. За наявності посухи в органах рослин пригнічується активність стимуляторів росту та накопичуються в активній формі інгібітори росту. Відомо, що мікроелементи діють на тургор клітин.

При нестачі міді листя ставало пониклим і млявим. Нами спостерігалося достовірне збільшення обводненості тканин листя під впливом комплексонатів на 1-2%. У листі збільшувався вміст вільної води, внаслідок чого знижувалося ставлення «вільна/пов'язана вода» і відбувалося часткове її деструктування. Особливо збільшувався вміст вільної води в листі картоплі в період інтенсивного бульбоутворення. З комплекс-сонатів перехідних елементів найбільше впливають комплексонати титану, заліза (III) і міді. Вміст хлорофілу у листі після обробки зростав. У період бутонізації під час обробки комплексонатом міді на 27,7%, заліза на 38,9%. Змінювався елементний склад листя. Комплексонати заліза та цинку збільшували вміст азоту на 21,65 та 12,6% відповідно, вміст фосфору збільшувався на 18,2% при обробці комплексонатом цинку та на 12,1-15,2% при обробці комплексонатами заліза, кобальту та міді. Отже, вільна вода більша, ніж пов'язана, визначає інтенсивність фотосинтезу. У період максимального розвитку фотосинтетичного апарату продуктивність фотосинтезу становила 7-8 г сухої маси на 1 м 2 . У клітинах рослин створювався оптимальний режим обводнення тканин на 1-2%, листя краще зберігали тургор. Підвищувалася стійкість до захворювань у 2 рази.

10.8. Взаємодія між макро- і мікроелементами

Імовірність взаємодії між мінеральними речовинами внаслідок їхньої лабільності та здатності до утворення зв'язків значно більша, ніж між іншими поживними речовинами. Щодо синергізму та антагонізму елементів в організмі, то ці поняття в літературі висвітлені недостатньо. Очевидно, синергі-стаміможна вважати такі елементи, які взаємно сприяють абсорбції один одного в травному каналі та взаємодіють при існуванні будь-якої обмінної функції на тканинному та клітинному рівні.

Синергізм елементів в області шлунково-кишкового каналу передбачає можливість наступних механізмів взаємодії: безпосередня взаємодія елементів (Са та Р, Na та Cl, Zn та Мо), коли рівень абсорбції визначається їх оптимальним співвідношенням у раціоні та хімусі; взаємодія, опосередкована через процес-

си фосфорилювання в стінці кишечника та активність травних ферментів (наприклад, вплив Р, Zn, Co на звільнення з корму та абсорбцію інших елементів); непряма взаємодія шляхом стимуляції росту та активності мікрофлори у шлунку та кишечнику. На рівні тканинного та клітинного метаболізму також можливі різні механізми синергічної взаємодії: пряма взаємодія елементів у структурних процесах (взаємодія Са та Р в утворенні кісток, спільна участь Fe та Сu у освіті гемоглобіну, взаємодія Мn та Zn у конформації молекул РНК); одночасна участь елементів в активному центрі будь-якого ферменту (Fe та Мо у складі ксантин- та альдегідоксидаз, Сu та Fe у складі цитохромоксидаз); активування ферментних систем та посилення синтетичних процесів, що вимагають для свого здійснення присутності інших елементів (активація синтезу іонами Mg 2+ з подальшим включенням у синтез Р, S та інших елементів); активування функцій ендокринних органів та опосередкований вплив через гормони на обмін інших макроабо мікроелементів (йод – тироксин – посилення анаболічних процесів – затримка калію та магнію в організмі).

Антагоністамиможна вважати елементи, які: а) гальмують абсорбцію один одного в травному каналі; б) мають протилежний вплив на будь-яку біохімічну функцію в організмі. На відміну від синергізму, який частіше буває взаємним, антагонізм може бути обопільним, або одностороннім. Так, фосфор і магній, цинк та мідь взаємно гальмують абсорбцію один одного в кишечнику, а кальцій інгібує абсорбцію цинку та марганцю (але не навпаки). Антагоністичні взаємозв'язки також передбачають кілька можливих механізмів взаємодії.Зокрема, ефект інгібування абсорбції одних елементів іншими в травному каналі може бути обумовлений такими механізмами: простою хімічною взаємодією елементів (утворення фосфату магнію при надлишку останнього в раціоні, взаємодія міді з сульфатом, утворення потрійної солі Са-Р-Zn при підвищених дозах кальцію раціоні); адсорбцією на поверхні колоїдних частинок (фіксація Мn та Fe на частинках нерозчинних солей магнію або алюмінію); В, Pb, Te та ін. на окисне фосфорилювання, соковиділення та активність ферментів (що погіршує розщеплення кормових інгредієнтів, звільнення та всмоктування неорганічних іонів); конкуренцією за речовину-переносник іонів у кишковій стінці (наприклад, Co 2+ -Fe 2+).

В процесі тканинного метаболізму, де елементи знаходяться в основному в іонній формі, можливі такі механізми антагоністичних взаємозв'язків: безпосередня взаємодія простих та складних неорганічних іонів (наприклад, мідь-молібден); конкуренція іонів за активні центри у ферментативних формах (Mg 2+ та Мn 2+ у металоферментних комплексах лужної фос-фатази, холінестерази та ін.); конкуренція за зв'язок з речовиною-переносником у крові (Fe 2+ та Zn 2+ як конкуренти за зв'язок з трансферином плазми); активування іонами ферментативних систем з протилежною функцією (активація іонами міді аскорбі-ноксидази, що окислює аскорбінову кислоту, та активація іонами цинку та марганцю лактоназ, що сприяють синтезу цього вітаміну); анатагоністичне вплив іонів на той самий фермент (активація АТФази іонами Mg 2+ і гальмування іонами Са 2+); пом'якшення іонами біотичних елементів токсичного впливу важких металів, присутніх у кормі та середовищах організму (зменшення рівня Рb в організмі при добавках до раціону міді, цинку, марганцю). Усе сказане свідчить у тому, що антагонізм елементів є складним комплексом біотичних взаємовідносин. Його результатом який завжди є зниження рівня тієї чи іншої елемента чи його підвищена екскреція з організму. Іноді антагонізм виконує протекторну роль щодо біохімічних функцій, і лише за різке порушення співвідношення іонів спостерігаються відхилення рівні обмінних процесів. Можливість антагоністичних взаємин елементів можна певною мірою передбачати виходячи з їхнього положення в періодичній системі. В основі цих взаємодій лежать фізико-хімічна аналогія елементів, їх здатність до комплексоутворення, більша чи менша спорідненість до відповідних активних груп біополімерів. Загалом можна припустити, що антагоністами є хімічні аналоги та гомологи (наприклад, Са-Mg), а також елементи, що мають однакову валентність та здатність до утворення аналогічних комплексів. Аніони та катіони сприяють зв'язуванню відповідно катіонів та аніонів, як простих, так і складних. Це пояснює, зокрема, антагонізм таких елементів, як Zn та Cd, V та Cr, As та Se, Zn та Су, Са та Fe. На малюнку 10.9 зображені біохімічні взаємозв'язки (ліворуч – синергічні, праворуч – антагоністичні) 15 життєво необхідних елементів, враховані як харчові зв'язки, так і взаємодії у процесі проміжного обміну.

Мал. 10.9.Метаболічні взаємозв'язки життєво необхідних елементів: 1 – синергізм; 2 – антагонізм; суцільна лінія – односторонній, пунктирна лінія – взаємний) (за Георгіївський В.І. та ін., 1979)

Звичайні взаємодії можуть порушуватися також за браку чи надлишку в кормі вітамінів, жиру, протеїну та інших поживних речовин. Також не можна не враховувати і можливу специфіку взаємозв'язків у різних видів ссавців та їх різний фізіологічний стан.

Схема на рис. 10.9, зрозуміло, не відбиває всіх можливих варіантів взаємодії, оскільки у ній відсутні умовно необхідні елементи. Зокрема, у плані антагонізму заслуговують на увагу такі ймовірні взаємодії, як: Mg-F, F-I, Al-F, As-I, Al-P, Be-P, Pb-Cu, Sr-Ca, Ag-Cu, Cd- Cu, Ti-Zn, B-Zn, B-Mo. На малюнку 10.10 представлена ​​найбільш досконала, з погляду, схема, що відбиває синергізм і антагонізм макро- і мікроелементів в організмі (напрямок стрілки відбиває характер взаємодії). Схема, очевидно, не відбиває всіх можливих варіантів взаємодії. Крім того, слід також враховувати можливу специфіку таких взаємозв'язків у представників різної статі, різні фізіологічні стани, вплив психоемоційних та фізіологічних навантажень та тимчасовий фактор.

Як це випливає з рис. 10.10 кількість виявлених позитивних зв'язків значно менше, ніж антагоністичних. Можливо, це пов'язано з тим, що останні виразніше виявляються в експерименті, а в практиці харчування тварин викликають характерні симптоми недостатності.

Мал. 10.10.Взаємодія хімічних елементів (по Momcilivic Ст., 1987)

Синергічні ж взаємини нерідко вислизають із поля зору дослідників. Необхідно наголосити, що перераховані взаємозв'язки залежать від верхнього та нижнього рівня фізіологічних кордонів. Це важливо тому, що характер взаємодії між мінеральними речовинами може змінюватися при нестачі або надлишку елементів, що вивчаються, так само як і інших елементів в раціоні. Так, мідь може виявитися токсичною для організму навіть при нормальному вмісті в раціоні (10-11 мг/кг), якщо в ньому недостатньо молібдену. Занадто високі дози міді не можуть не викликати токсикозу і є причиною паракератозу через порушення абсорбції цинку.

10.9. БІОСФЕРА - ДЖЕРЕЛО МАКРО- І МІКРОЕЛЕМЕНТІВ ОРГАНІЗМУ

Хімічні елементи поширені у навколишньому середовищі дуже нерівномірно. Звертають на себе увагу величезний вміст таких мікроелементів (стосовно людського організму), як Si, Al, Fe, Zr, Mn, Zn, а також макроелементів К, Са в земній корі (верхній літосфері) та їх невеликі концентрації в прісній, морській воді та атмосфері. Однак у біосфері відбуваються накопичення багатьох із цих елементів, їх концентрування, що свідчить про високої потреби у них живих організмів реалізації процесів життєдіяльності.

У біосфері концентруються такі хімічні елементи, як, К, S, С, Р, Cl, N, Sn, As, щодо високо вміст Са, В, Zn, Ba, Sr, Rb, Cu, Pb. У зв'язку з різними довкіллям істотно різняться концентрації хімічних елементів у морських і наземних рослинах і тварин. Так, у «дарах моря» рослинного та тваринного походження сконцентровані такі елементи, як Са, К, Na, Mg, S, Cl, O, Zn, Cu, Mn, Fe, I, Ni, Ti, Sr, Zr, Cr, Li, B, La. Надані людині на суші «дари природи» загалом менш багаті макро- і мікроелементами, проте слід виділити N, З, F, і навіть Mn і А1, зміст яких у наземних рослинах вищий, ніж у морських вдесятеро. Наземні рослини є основним джерелом такого важливого мікроелемента, як Мn, а морські - Са, Fe, Zr, Si, Li та I. Представники наземної фауни є основним резервом для забезпечення людини Р, N, Н, тобто. макроелементами, та надзвичайно бідними Сr, V, Мn, елементами, що беруть активну участь у регуляції вуглеводного та жирового обміну, толерантності до глюкози.

У свою чергу, представники морської фауни накопичують у собі підвищені кількості Zn, C, Cu. Таким чином, надходження хімічних елементів з їжею може суттєво відрізнятися залежно від режиму харчування, доступності, наприклад морепродуктів для організму. Все це не може не позначатися на добовому балансі надходження елементів організму людини. Таким чином, в основному хімічні елементи надходять до організму людини з водою та їжею. Виняток становить лише Si, великі кількості якого можуть потрапляти в організм інгаляційним шляхом у вигляді пилу, піску або у вигляді різних сполук цього елемента (SiO 2 , Si 2 O 3 та ін.). У приморських районах та на невеликих островах у вигляді аерозолів та випарів в організм можуть потрапляти суттєві кількості йоду.

Виділення ж хімічних елементів відбувається різноманітнішими шляхами. Так, із сечею переважно виділяється Se, Fe, I, Co, Cd, В, Br, Ge, Mo, Nb, Rb, Cs, Ті та Sb. Згодом в основному виділяється Se, F, Pb, Sn, Ni, а з волоссям Hg. І все ж основна кількість хімічних елементів елімінується з організму з калом. Якщо звернути увагу, виявляється наступна закономірність: аніони (I, F, Se, Cl) відносно легко абсорбуються (70-95%), і їх гомеостаз регулюється в основному за рахунок виділення через сечовивідні шляхи; катіони та мікроелементи (Cr, Zn, V, Mn та ін) абсорбуються значно гірше, та їх гомеостаз регулюється в основному за рахунок виділення через ШКТ. Катіони потребують

у специфічних шляхах абсорбції, в їх гомеостазі беруть участь ШКТ та жовчна секреція. Багато мікроелементів краще засвоюються у вигляді органічних комплексів (аспарагінати, глутамати, цитрати, ацетати, глюконати металів).

Як свідчать Ю.А. Єршов та співавт. (2000), в процесі еволюції від неорганічних речовин до біоорганічних основ використання тих чи інших хімічних елементів при створенні біосистеми є природний відбір. У таблиці 10.10 наведено дані про вміст хімічних елементів у земній корі, морській воді, рослинних та тваринних організмах.

З таблиці видно, що велику частку речовини живих організмів складають елементи, які мають досить високу поширеність у земній корі. Однак ця закономірність дотримується не завжди. Так було в земної корі міститься багато кремнію (27,6%), а живих організмах його мало. Аналогічна ситуація простежується і для алюмінію, який у великій кількості міститься в земній корі (7,45%) і дуже незначному в живих організмах (1х10 -8 %). Непропорційний вміст елементів в організмі та середовищі пов'язаний з тим, що на засвоєння елементів впливає розчинність їх природних сполук у воді. Природні сполуки кремнію (SiO2), алюмінію (Al2O3) практично нерозчинні, тому вони не засвоюються живими організмами. Спостерігається і зворотна картина. Наприклад, органоген вуглець у незначних кількостях міститься у земній корі (0,35%), а за вмістом у живих організмах посідає друге місце (21%). Таким чином, у міру руху ряду хімічних елементів харчового ланцюга відбувається їх біологічне концентрування, як, наприклад, у випадках з вуглецем, азотом, киснем, фосфором або кальцієм, який витягується з навколишнього середовища для побудови скелета живого організму. Для населення розвинених країн характерно включення до раціону різноманітних продуктів харчування, частина з яких виробляється в інших біохімічних районах, через що ліквідуються умови, що сприяють впливу на людину біохімічних особливостей даної місцевості. Тобто різноманітна їжа зі значною часткою привізних продуктів не лише попереджує виникнення ендемічних дефіцитів або надлишків макро- та мікроелементів, а й є одним із потужних засобів ліквідації ендоекологічних захворювань біохімічного походження (Авцин А.П. та співавт., 1991).

Поки що не вдалося виховати в людині не тільки дбайливого ставлення до навколишньої природи, як довкілля, і до свого внутрішнього

середовищі, до складу свого організму, забезпеченості його необхідними матеріалами для життєдіяльності. Перераховані вище фактори свідчать про життєво важливу необхідність формування та виховання в суспільстві нооекологічного світогляду - одного з небагатьох резервів, які продукуються виключно людиною. Тільки у поєднанні таких чинників із ресурсами природи можна досягти подальшого гармонійного розвитку людства, що виключає його самознищення.

Таблиця 10.10.Зміст хімічних елементів (мас. частка, %) у земній корі, ґрунтах, морській воді, рослинах, тваринах (по А.П. Виноградову)

Закінчення табл. 10.10

10.10. ПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОПРОВІРКИ ПІДГОТОВЛЕНОСТІ ДО ЗАНЯТТІВ І ЕКЗАМЕН

1.Як розподілені біогенні елементи по s-, p-і d-блоків та за періодами періодичної системи елементів?

2.Біологічна роль s-елементів. Градієнт концентрації іонів, механізм регулювання концентрації іонів у клітинах, мембранний потенціал.

3.р-Елементи якого періоду мають яскраво виражену здатність брати участь у освіті водневих зв'язків?

4.Назвіть п'ять макробіогенних р-елементів, які є основним будівельним матеріалом, з якого складені молекули білків, жирів, вуглеводів та нуклеїнових кислот.

5. Яку роль виконують d-елементи у живих організмах? Чим викликана токсична дія хроматів та дихроматів на організм?

6. Чи змінюється ступінь окислення заліза в молекулі гемоглобіну в процесі приєднання та віддачі кисню?

7. Назвіть комплексоутворювач у молекулі вітаміну В 12 . Що спільного в структурах молекул гемоглобіну та вітаміну В 12?

8.Поясніть подібність та відмінність у біологічній дії сполук заліза та титану.

9.Чим пояснюються унікальні властивості вуглецю?

10.Назвіть p-елементи, які виступають як хімічно активні центри полідентатних хелатоутворюючих лігандів, що визначають їх участь в основних біохімічних процесах, забезпеченні стану ізогідрії організму.

11.У земній корі міді міститься значно менше, ніж титану, а живому організмі міді міститься у десятки разів більше. Поясніть.

12.На яких властивостях перекису водню ґрунтується її застосування в медицині?

13. Наведіть приклади антагонізму Ca 2+ і Mg 2+, синергізму Mg 2+, Mn 2+. Поясніть, чому Mn 2+ виступає синергістом Mg 2+?

14. Наведіть приклади сполук заліза, що у організмі.

15. Поясніть подібність у біологічній дії іонів Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ .

16. Який хімізм токсичної дії сполук ртуті, кадмію, свинцю та нікелю?

17. Який хімізм токсичної дії нітратів та нітритів?

18. Чи може цинк каталізувати процеси, пов'язані з перенесенням електронів?

19.На чому ґрунтується застосування комплексонів як лікувальних препаратів при отруєнні сполуками цинку, кадмію та ртуті?

20. Чи є взаємозв'язок між Mg 2+ та Be 2+ утворювати комплекси з біолігандами неоднакової міцності та токсичною дією Be 2+ ?

21. Який механізм токсичної дії Ba 2+? На якій властивості іонів барію та стронцію засноване застосування водного розчину сульфату натрію як антидоту?

22.Чому рентгеноконтрастну речовину BaSO 4 приймають внутрішньо при рентгенівській діагностиці захворювань травного тракту без побоювання?

23.На якій властивості сульфіду натрію засноване його застосування як протиотрути сполук важких металів?

24. Чому тіолсодержащіе ензими незворотно отруюються Cu 2+

та Ag + ?

25. Які властивості сполук азоту (оксидів азоту, нітритів, нітратів, нітрозоамінів) визначають їхню токсичну дію на організм?

10.11. ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ

1. До якого елемента належить 6s 2-, 6р 2-конфігурація валентних електронів?

а) Se;

б) Po;

в) Pb;

г) Hf.

2. До якого елемента належить 3d 1 -, 4s 2-Конфігурація валентних електронів?

а) Br;

б) Mn;

в) Co;

г) Cl.

3. d- та p-елементи однієї групи різняться між собою:

а) числом валентних електронів;

б) числом зовнішніх електронів;

в) вищим ступенем окислення;

г) формулою вищого оксиду.

4. Який елемент може заміщати сірку амінокислот у білках?

а) Se;

б)O;

в) Cr;

г) Cl.

5. Які іони можуть замінювати кальцій у кістковій тканині:

а) 3 2-;

б) Cs +;

в) Br -;

г)NO 3 - .

6. Натрій відноситься:

а) до макроелементів;

б)елементів електролітного фону;

в) мікроелементів;

г) домішковим елементам.

7. Антиоксидантами є сполуки, що містять групу:

а)-SH;

б)-OH;

в)-COOH;

г)-NH 2 .

8. Фосфор у фосфонових групах НТФ, ОЕДФ має ступінь окислення:

а)+3;

б) +5;

у 3;

г)0.

Загальна хімія: підручник / О. В. Жолнін; за ред. В. А. Попкова, А. В. Жолніна. – 2012. – 400 с.: іл.

ЕКЗАМЕНАЦІЙНІ ПИТАННЯ З БІОЛОГІЧНОЇ ХІМІЇ

для студентів стоматологічного факультету

1. Предмет та завдання біологічної хімії. Обмін речовин та енергії, ієрархічна структура організації та самовідтворення як найважливіші ознаки живої матерії.

2. Місце біохімії серед інших біологічних дисциплін. рівні структурної організації живого. Біохімія як молекулярний рівень вивчення явищ життя. Біохімія та медицина.

3. Вивчення біохімічних закономірностей формування ланок зубощелепного апарату та їх дієздатності – фундаментальна основа комплексу стоматологічних дисциплін.

4. Білкові молекули – основа життя. Елементарний склад білків. Відкриття амінокислот. Пептидна теорія будови білків.

5. Будова та класифікація амінокислот. Їхні фізико-хімічні властивості. Методи поділу білків за фізико-хімічними властивостями.

6. Молекулярна вага білків. Розміри та форми білкових молекул. Глобулярні та фібрилярні білки. Прості та складні білки.

7. Фізико-хімічні властивості білків: розчинність, іонізація, гідратація, осадження білків із розчинів. Денатурація. Методи кількісного виміру концентрації білків.

8. Первинна структура білків. Залежність біологічних властивостей первинної структури. Видова специфічність первинної структури білків.

9. Конформація пептидних ланцюгів (вторинна та третинна структура). Зв'язки, які забезпечують конформацію білка. Залежність біологічних властивостей конформації.

10. Доменна організація білкових молекул. Поділ білків за сімействами та суперродинами.

11. Четвертична структура білків. Залежність біологічної активності білків від четвертинної структури. Кооперативні зміни конформації протомерів (з прикладу гемоглобіну).

12. Конформаційні зміни білків як основа функціонування та саморегуляції білків.

13. Нативні білки. Фактори денатурації та її механізм.

14. Класифікація білків за хімічним складом. Коротка характеристика групи найпростіших білків.

15. Складні білки: визначення, класифікація за небілковим компонентом. Коротка характеристика представників.

16. Біологічні функції білків. Здатність до специфічних взаємодій («впізнавання») як основа біологічних функцій білків. Типи природних лігандів та особливості їх взаємодії з білками.

17. Відмінність білкового складу органів прокуратури та тканин. Зміна білкового складу при онтогенезі та хворобах.

18. Ферменти, історія відкриття. Особливості ферментативного каталізу. Специфіка дії ферментів. Класифікація та номенклатура ферментів.

19. Будова ферментів. Активний центр ферментів, теорія його формування.

20. Основні етапи ферментативного каталізу (механізм дії ферментів).

21. Залежність швидкості ферментативних реакцій від температури, рН, концентрації ферментів та субстрату.

22. Кофактори ферментів: іони металів та коферменти. Коферментні функції вітамінів (схема).

23. Активація ферментів (частковий протеоліз, відновлення тіолових груп, видалення інгібіторів). Поняття про активаторів, механізм їхньої дії.

24. Інгібітори ферментів. Типи інгібування. Лікарські препарати – інгібітори ферментів.

25. Регуляція дії ферментів: алостеричні інгібітори та активатори, каталітичний та регуляторний центри. Регуляція активності ферментів за типом зворотного зв'язку шляхом фосфорилювання та дефосфорилювання.

26. Відмінності ферментного складу органів та тканин. Органоспецифічні ферменти. Зміни активності ферментів у процесі розвитку та при хворобах.

27. Спадкові та набуті ензимопатії. Ізоферменти.

28. Вітаміни. Історія відкриття та вивчення вітамінів. Опції вітамінів. Аліментарні та вторинні авітамінози та гіповітамінози. Гіпервітаміноз.

29. Вітаміни групи Д. Провітаміни, будова, перетворення на активну форму, вплив на обмін речовин та процеси мінералізації.

30. Вітамін А, хімічна будова, що у процесах метаболізму. Прояви гіпо- та гіпервітамінозу.

31. Вітамін С, хімічна будова, роль у процесах життєдіяльності, добова потреба, вплив на обмін тканин ротової порожнини, прояви недостатності.

32. Основні рівні регулювання метаболізму. Аутокринне, паракринне та ендокринне регулювання.

33. Гормони, поняття, загальна характеристика, хімічна природа, біологічна роль.

34. Гормональне регулювання як механізм міжклітинної та міжорганної координації обміну речовин. Клітини-мішені та клітинні рецептори гормонів.

35. Механізм передачі гормонального сигналу клітину гормонами мембранного способу рецепції. Вторинні посередники.

36. Механізм передачі гормонального сигналу ефекторним системам гормонами цитозольного способу рецепції.

37. Центральне регулювання ендокринної системи. Роль ліберинів, статинів, тропних гормонів гіпофіза.

38. Інсулін, будова, освіта з проінсуліну. Вплив обмін вуглеводів, ліпідів, амінокислот.

39. Будова, синтез та метаболізм йодтиронінів. Вплив обмін речовин. Гіпо- та гіпертиреози: механізм виникнення та наслідки.

40. Гормони, що регулюють метаболізм мінералізованих тканин (паратирин, кальцитонін, соматотропін), місця виробітку, хімічна природа, механізм регуляторної дії.

41. Ейкозаноїди: поняття, хімічна будова, представники. Роль ейкозаноїдів у регуляції метаболізму та фізіологічних функцій організму.

42. Низькомолекулярні білки міжклітинного спілкування (фактори росту та інші цитокіни) та їх клітинні рецептори.

43. Катаболізм та анаболізм. Ендергонічні та екзергонічні реакції в живій клітині. Макроергічні сполуки. Дегідрування субстратів та окислення водню (освіта води), як джерело енергії для синтезу АТФ.

44. НАД-залежні та флавінові дегідрогенази, убихинон-дегідрогеназа, цитохроми, с, с 1 , а 1 і а 3 як компоненти дихального ланцюга.

45. Будова мітохондрій та структурна організація дихального ланцюга. Трансмембранний електрохімічний потенціал як проміжна форма енергії при окисному фосфорилуванні.

46. ​​Дихальний ланцюг як найважливіша ред-окс-система організму. Поєднання процесів окислення та фосфорилювання в дихальному ланцюгу. Коефіцієнт Р/О.

47. Терморегуляторна функція тканинного дихання.

48. Регуляція дихального ланцюга. Роз'єднання тканинного дихання та окисного фосфорилювання. Роз'єднуючі агенти.

49. Порушення енергетичного обміну: гіпоксичні стани. Вітаміни РР та В 2 . Прояв авітамінозів.

50. Катаболізм основних харчових речовин, стадії. Поняття про специфічні та загальні шляхи катаболізму.

51. Пировиноградна кислота, шляхи її утворення. Окислювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти: послідовність реакцій, будова піруватдегідрогеназного комплексу.

52. Ацетил-КоА, шляхи освіти та перетворення в організмі. Значення цих процесів.

53. Цикл трикарбонових кислот: послідовність реакцій, характеристика ферментів. Зв'язок між загальними шляхами катаболізму та ланцюгом перенесення електронів та протонів.

54. Алостеричні механізми регулювання цитратного циклу. Освіта 2 при тканинному диханні. Анаболічні функції ЦТК. Вітамін В 1 та пантотенова кислота, їх біологічна роль.

55. Харчові білки. Загальна схема джерел та шляхів витрачання амінокислот у тканинах. Ендогенний та екзогенний пул амінокислот.

56. Норми білка у харчуванні. Азотний баланс. Фізіологічний мінімум білка у їжі. Якісний склад харчових білків.

57. Протеоліз білків. Загальна характеристика та класифікація протеїназ травного каналу, субстратна специфічність. Всмоктування амінокислот.

58. Трансамінування, механізм реакції, коферментна функція вітаміну В6. Специфіка амінотрансфераз. Біологічна роль реакцій трансамінування.

59. Окисне дезамінування амінокислот, хімізм реакції. Оксидази D- та L-амінокислот. Глутаматдегідрогеназа.

60. Непряме дезамінування (транс-дезамінування) амінокислот. Біологічне значення реакцій дезамінування.

61. Декарбоксилювання амінокислот, хімізм. Біогенні аміни. Походження, функції. Інактивація біогенних амінів.

62. Особливості метаболізму окремих амінокислот. Гліцин та серин. Механізм їх взаємоперетворень. Роль гліцину у процесах біосинтезу біологічно важливих сполук.

63. Трансметилювання. Метіонін та S-аденозилметіонін. Їхня роль у реакціях біосинтезів та знешкодження.

64. ТГФК та ​​синтез одновуглецевих груп, їх використання. Прояв недостатності 9 . Антивітаміни фолієвої кислоти. Сульфаніламідні препарати.

65. Особливості метаболізму фенілаланіну та тирозину, основні шляхи, функціонально значущі метаболіти. Генетичні дефекти метаболізму цих амінокислот.

66. Кінцеві продукти обміну амінокислот: солі амонію та сечовина. Основні джерела та шляхи знешкодження аміаку в організмі.

67. Роль глутамату в знешкодженні та транспортуванні аміаку, синтезі проліну. Утворення та виведення солей амонію.

68. Біосинтез сечовини, послідовність реакцій. Зв'язок орнітінового циклу з ЦТК. Порушення освіти та виведення сечовини. Гіпераммоніємія, уремія.

69. Нуклеїнові кислоти, типи, нуклеотидний склад, локалізація у клітині, біологічна роль.

70. Будова та біологічні функції мононуклеотидів.

71. Первинна та вторинна структура ДНК, укладання в хромосому. Біосинтез ДНК. ДНК-полімерази. Поняття про реплікативну систему. Пошкодження та репарація ДНК.

72. РНК, первинна та вторинна структура, типи РНК у клітині, функції РНК. Біосинтез РНК, ферменти.

73. Нуклеази травного тракту та тканин. Розпад пуринових нуклеотидів. Причини гіперурікемії. Подагра.

74. Уявлення про біосинтез пуринових нуклеотидів. Походження атомів «С» та «N» у пуриновому ядрі. Інозінова кислота як попередниця аденілової та гуанілової кислот.

75. Уявлення про розпад та біосинтез піримідинових нуклеотидів.

76. Біосинтез білків, сучасні уявлення. Основні компоненти білоксинтезуючої системи. Етапи біосинтезу.

77. Транспортна РНК як адаптатор амінокислот. Біосинтез аміноацил-т-РНК. Субстратна специфічність АРС-аз. Ізоакцепторні т-РНК.

78. Будова рибосом. Послідовність подій на рибосомі при збиранні поліпептидного ланцюга. Посттрансляційні зміни білка.

79. Регулювання біосинтезу білків. Поняття про оперон, регуляція біосинтезу на рівні транскрипції.

80. Молекулярні механізми генетичної мінливості. Молекулярні мутації, типи, частоти.

81. Механізми збільшення числа та різноманітності генів у геномі в ході еволюції як прояв диференціальної активності генів.

82. Клітинне диференціювання. Зміна білкового складу клітин при диференціюванні (на прикладі синтезу Нb у разі розвитку еритроциту).

83. Поліморфізм білків як прояв генетичної гетерогенності. Варіанти Нb, Нр, ферментів, групоспецифічних речовин крові.

84. Спадкові хвороби: поширеність, походження дефектів у генотипі. Механізм виникнення та біохімічні прояви спадкових хвороб.

85. Основні вуглеводи тварин, їх вміст у тканинах, біологічна роль. Основні вуглеводи їжі. Перетравлення вуглеводів.

86. Глюкоза як найважливіший метаболіт обміну: загальна схема джерел та шляхів витрачання глюкози в організмі.

87. Катаболізм глюкози. Аеробний розпад – основний шлях катаболізму глюкози. Етапи, енергетика. Поширення та фізіологічне значення процесу.

88. Анаеробний розпад глюкози (анаеробний гліколіз). Гліколітична оксиредукція, субстратне фосфорилювання. Біологічне значення.

89. Біосинтез глюкози (глюконеогенез) із молочної кислоти. Взаємозв'язок гліколізу у м'язах та глюконеогенезу у печінці (цикл Корі).

90. Уявлення про пентозофосфатний шлях перетворення глюкози. Стадії, Енергетика. Поширення та фізіологічне значення. Пентозофосфатний цикл

91. Будова, властивості та поширення глікогену як резервного полісахариду. Біосинтез глікогену та його мобілізація. Роль інсуліну, глюкагону, адреналіну у метаболізмі глікогену.

92. Спадкові порушення обміну моносахаридів та дисахаридів. Глікогенози та аглікогенози.

93. Ліпіди: визначення, класифікації, найважливіші функції.

94. Найважливіші ліпіди тканин людини. Резервні ліпіди та ліпіди мембран. Характеристика жирних кислот тканин людини.

95. Харчові жири та їх перетравлення. Ліпази та фосфоліпази та їх роль. Порушення перетравлення та всмоктування ліпідів. Ресинтез триацил-гліцеринів в ентероциті.

96. Транспортні форми ліпідів крові: хіломікрони та ліпопротеїни, особливості хімічного складу, будови. Взаємоперетворення різних класів ліпопротеїнів.

97. Резервування та мобілізація жирів у жировій тканині. Регуляція синтезу та мобілізації жирів. Роль інсуліну та глюкагону. Транспорт жирних кислот.

98. Обмін жирних кислот. b-окислення: локалізація, енергетика, біологічне значення. Метаболічна доля ацетил-КоА.

99. Біосинтез жирних кислот, компоненти, схема біосинтезу. Біосинтез ненасичених жирних кислот.

100. Біосинтез та використання ацетооцтової кислоти. Фізіологічне значення цього процесу. Кетонові тіла. Причини кетонемії та кетонурії.

101. Обмін стероїдів. Холестерин, будова, роль. Уявлення про біосинтез холестерину. Регулювання синтезу. Гіперхолестеринемія та її причини.

102. Атеросклероз як наслідок порушень метаболізму холестерину та ліпопротеїнів.

103. Основні фосфоліпіди тканин людини, їх фізіологічні функції. Біосинтез та розпад фосфоліпідів.

104. Основні гліколіпіди тканин людини, будова, біологічна роль. Уявлення про біосинтез та катаболізм гліколіпідів. Сфінголіпідози.

105. Обмін безазотистого залишку амінокислот. Глюкогенні та кетогенні амінокислоти. Роль інсуліну, глюкагону, адреналіну та кортизолу в регуляції обміну вуглеводів, жирів та амінокислот.

106. Цукровий діабет, причини виникнення. Найважливіші біохімічні порушення обміні білків, ліпідів і вуглеводів. Зміни з боку ротової порожнини при цукровому діабеті.

107. Хімічна будова та роль основних компонентів (білків, ліпідів, вуглеводів) у функції мембран. Загальні властивості мембран: рідинність, поперечна асиметрія, вибіркова проникність.

108. Основні функції біомембран. Ендоцитоз та екзоцитоз, їх функціональне значення.

109. Механізм перенесення речовин через мембрани: проста дифузія, первинно-активний транспорт, вторинно-активний транспорт (симпорт, антипорт). Регульовані трансмембранні канали.

110. Біохімія крові. Особливості розвитку, будови та хімічного складу еритроцитів. Біосинтез гему. Будова молекули гемоглобіну.

111. Дихальна функція крові: транспорт кисню кров'ю. Карбоксигемоглобін, метгемоглобін. Транспорт двоокису вуглецю кров'ю. Анемічна гіпоксія.

112. Розпад гемоглобіну. Освіта білірубіну. Знешкодження білірубіну. «Прямий» та «непрямий» білірубін.

113. Порушення обміну білірубіну. Жовтяниця (гемолітична, обтураційна, печінково-клітинна). Жовтяниця новонароджених.

114. Обмін заліза. Трансферин та феритин. Залізодефіцитні анемії. Ідіопатичний гемохроматоз.

115. Білковий спектр плазми. Альбуміни та їх функції. Глобуліни, коротка характеристика, функції. Білки "гострої фази". Ферменти крові. Їхнє походження.

116. Небілкові азотовмісні та безазотисті речовини плазми крові, походження, діагностичне значення визначення.

117. Мінеральні компоненти крові. Розподіл між плазмою та клітинами, нормальні діапазони коливань найважливіших із них.

118. Електролітний склад рідин організму. Механізм підтримки обсягу, складу та рН рідин організму.

119. Буферні системи крові. Порушення кислотно-основного стану організму. Причини розвитку та форми ацидозу та алкалозу.

120. Роль нирок у регуляції водно-електролітного обміну. Будова та механізм регулюючої дії вазопресину та альдостерону.

121. Регуляція судинного тонусу. Коротка характеристика ренін-ангіотензинової та калікреїн-кінінової систем, їх взаємозв'язок.

122. Згортання крові. Внутрішній та зовнішній механізми згортання. Каскадний механізм процесів зсідання крові. Роль вітаміну К у згортанні крові.

123. Протизгортаюча система. Природні антикоагулянти крові. Гемофілія.

124. Фібринолітична система крові. Плазміноген, його активація. Порушення процесів зсідання крові. Синдром ДВЗ.

125. Сполучна тканина, типи, метаболічні та функціональні особливості клітин сполучної тканини.

126. Волокнисті структури сполучної тканини. Колаген: різноманіття типів, особливості амінокислотного складу, первинної та просторової структури, біосинтезу.

127. Самоскладання колагенових фібрил. «Старіння» колагенових волокон.

128. Еластин сполучної тканини: особливості амінокислотного складу та просторової структури молекули. Неколагенові білки сполучної тканини.

129. Катаболізм колагену та еластину. Слабкість антиоксидантної системи у сполучній тканині.

130. Глікозаміноглікани та протеоглікани сполучної тканини: будова та функції.

131. Біосинтез та постсинтетична модифікація глікозоаміногліканів та протеогліканів сполучної тканини. Деградація основної речовини сполучної тканини.

132. Кісткова тканина: співвідношення органічних та мінеральних компонентів, особливості метаболізму кісткової тканини.

133. Роль вітамінів С, Д, А та К у метаболізмі кісткової та зубної тканин. Регулювання процесів метаболізму. Остеопороз та остеомаляція.

134. Гормональне регулювання остеогенезу, ремоделювання та мінералізації кісткової тканини.

135. Склад та метаболічні особливості зрілого зуба.

136. Слина: мінеральні та органічні компоненти, їх біологічні функції.

137. Основні групи білків слини, їх роль. Ферменти слини. Діагностичне значення: визначення активності ферментів слини.

138. Метаболічні функції фтору. Шляхи надходження фторидів в організм та їх виведення. Розподіл фтору в організмі.

139. Роль іонів фтору в процесах мінералізації кісткової та зубної тканин. Токсичні ефекти надлишку фтору. Прояв недостатності фтору. Застосування препаратів фтору у стоматології.

140. Роль печінки у процесах життєдіяльності. Знешкоджуюча функція печінки. Метаболізм знешкодження чужорідних речовин: реакції мікросомального окиснення та кон'югації.

141. Знешкодження печінки шлаків, метаболітів, біологічно активних речовин, продуктів гниття (приклади).

142. Токсичність кисню: утворення активних форм кисню, їхня дія на ліпіди. Перекисне окиснення ліпідів мембран. Антиоксидантна система.

143. Уявлення про хімічний канцерогенез.

144. Хімічний склад сірої та білої речовини мозку. Мієлін. Будова, ліпідний склад.

145. Елементарні акти нервової діяльності. Роль трансмембранного градієнта іонів у передачі нервового імпульсу.

146. Найважливіші медіатори нервових імпульсів та його рецептори. Нейропептиди.

147. Особливості енергетичного обміну у нервовій тканині.

148. Хімічний склад м'язової тканини. Основні білки міофібрил та саркоплазми. Роль міоглобіну.

149. Механізм м'язового скорочення та розслаблення. Особливості енергетичного обміну у м'язовій тканині.

Біохімічні константи та елементи

Тема: «БІОХІМІЯ КРОВІ. ПЛАЗМА КРОВІ: КОМПОНЕНТИ ТА ЇХ ФУНКЦІЇ. МЕТАБОЛІЗМ ЕРИТРОЦИТІВ. ЗНАЧЕННЯ БІОХІМІЧНОГО АНАЛІЗУ КРОВІ У КЛІНІЦІ»

1. Білки плазми: біологічна роль. Вміст білкових фракцій у плазмі. Зміни білкового складу плазми при патологічних станах (гіперпротеїнемія, гіпопротеїнемія, диспротеїнемія, парапротеїнемія).
2. Білки гострої фази запалення: біологічна роль, приклади білків.
3. Ліпопротеїнові фракції плазми крові: особливості складу, роль організмі.
4. Імуноглобуліни плазми: основні класи, схема будови, біологічні функції. Інтерферони: біологічну роль, механізм дії (схема).
5. Ферменти плазми крові (секреторні, екскреторні, індикаторні): діагностичне значення дослідження активності амінотрансфераз (АЛТ та АСТ), лужної фосфатази, амілази, ліпази, трипсину, ізоферментів лактатдегідрогенази, креатинкінази.
6. Небілкові азотовмісні компоненти крові (сечовина, амінокислоти, сечова кислота, креатинін, індикан, прямий та непрямий білірубін): будова, біологічна роль, діагностичне значення їх визначення у крові. Поняття про азотемію.
7. Безазотисті органічні компоненти крові (глюкоза, холестерол, вільні жирні кислоти, кетонові тіла, піруват, лактат), діагностичне значення їх визначення у крові.
8. Особливості будови та функції гемоглобіну. Регулятори спорідненості з гемоглобіном до О2 . Молекулярні форми гемоглобіну. Похідні гемоглобіну. Клініко-діагностичне значення визначення гемоглобіну у крові.
9. Метаболізм еритроциту: роль гліколізу та пентозофосфатного шляху у зрілих еритроцитах. Глутатіон: що у еритроцитах. Ферментні системи, що у знешкодженні активних форм кисню.
10. Згортання крові як каскад активації проферментів. Внутрішній та зовнішній шляхи згортання. Загальний шлях згортання крові: активація протромбіну, перетворення фібриногену на фібрин, утворення фібрину-полімеру.
11. Участь вітаміну К у посттрансляційній модифікації факторів згортання крові. Дикумарол як антивітамін До.

30.1. Склад та функції крові.

Кров- Рідка рухлива тканина, що циркулює в замкнутій системі кровоносних судин, що транспортує різні хімічні речовини до органів і тканин, і здійснює інтеграцію метаболічних процесів, що протікають у різних клітинах.

Кров складається з плазми і формених елементів (еритроцитів, лейкоцитів та тромбоцитів). Сироватка крові відрізняється від плазми відсутністю фібриногену. 90% плазми крові становить вода, 10% - сухий залишок, до складу якого входять білки, небілкові азотисті компоненти (залишковий азот), безазотисті органічні компоненти та мінеральні речовини.

30.2. Білки плазми.

Плазма крові містить складну багатокомпонентну (більше 100) суміш білків, що різняться за походженням та функціями. Більшість білків плазми синтезується у печінці. Імуноглобуліни та ряд інших захисних білків імунокомпетентними клітинами.

30.2.1. Білкові фракції.За допомогою висолення білків плазми можна виділити альбумінову та глобулінову фракції. У нормі співвідношення цих фракцій становить 1,5 – 2,5. Використання методу електрофорезу на папері дозволяє виявити 5 білкових фракцій (у порядку зменшення швидкості міграції): альбуміни, α1-, α2-, β- і γ-глобуліни. При використанні більш тонких методів фракціонування в кожній фракції, крім альбумінової, можна виділити цілу низку білків (зміст і склад білкових фракцій сироватки крові див. малюнок 1).

Малюнок 1.Електрофореграма білків сироватки крові та склад білкових фракцій.

Альбуміни- білки з молекулярною масою близько 70 000 Так. Завдяки гідрофільності та високому вмісту в плазмі відіграють важливу роль у підтримці колоїдно-осмотичного (онкотичного) тиску крові та регуляції обміну рідин між кров'ю та тканинами. Виконують транспортну функцію: здійснюють перенесення вільних жирних кислот, жовчних пігментів, стероїдних гормонів, іонів Са2+, багатьох ліків. Альбуміни також є багатим і швидко реалізованим резервом амінокислот.

α 1 -Глобуліни:

• Кислий α 1 -глікопротеїн (орозомукоїд) - Містить до 40% вуглеводів, ізоелектрична точка його знаходиться в кислому середовищі (2,7). Функцію цього білка до кінця не встановлено; відомо, що на ранніх стадіях запального процесу орозомукоїд сприяє утворенню колагенових волокон у вогнищі запалення (Я.Мусіл, 1985).
• α 1-Антитріпсин - Інгібітор низки протеаз (трипсину, хімотрипсину, калікреїну, плазміну). Природжене зниження вмісту α1-антитрипсину в крові може бути фактором схильності до бронхо-легеневих захворювань, оскільки еластичні волокна легеневої тканини особливо чутливі до дії протеолітичних ферментів.
• Ретинозв'язуючий білок здійснює транспорт жиророзчинного вітаміну А.
• Тироксинзв'язуючий білок - пов'язує та транспортує йодовмісні гормони щитовидної залози.
• Транскортин - пов'язує та транспортує глюкокортикоїдні гормони (кортизол, кортикостерон).

α 2 -Глобуліни:

• Гаптоглобіни (25% α2-глобулінів) - утворюють стабільний комплекс з гемоглобіном, що з'являється в плазмі внаслідок внутрішньосудинного гемолізу еритроцитів. Комплекси гаптоглобін-гемоглобін поглинаються клітинами РЕМ, де гем і білкові ланцюги розпадаються, а залізо повторно використовується для синтезу гемоглобіну. Тим самим запобігає втраті заліза організмом і пошкодженню нирок гемоглобіном.
• Церулоплазмін - Білок, що містить іони міді (одна молекула церулоплазміну містить 6-8 іонів Cu2+), які надають йому блакитного забарвлення. Є транспортною формою іонів міді у організмі. Має оксидазну активність: окислює Fe2+ у Fe3+, що забезпечує зв'язування заліза трансферрином. Здатний окислювати ароматичні аміни, бере участь в обміні адреналіну, норадреналіну, серотоніну.

β-Глобуліни:

• Трансферін - головний білок β-глобулінової фракції, що бере участь у зв'язуванні та транспорті тривалентного заліза в різні тканини, особливо в кровотворні. Трансферин регулює вміст Fe3+ у крові, запобігає надмірному накопиченню та втраті із сечею.
• Гемопексин - пов'язує гем і запобігає його втраті нирками. Комплекс гем-гемопексин уловлюється з крові печінкою.
• С-реактивний білок (С-РБ) - Білок, здатний преципітувати (у присутності Са2 +) С-полісахарид клітинної стінки пневмокока. Біологічна роль його визначається здатністю активувати фагоцитоз та інгібувати процес агрегації тромбоцитів. У здорових людей концентрація С-РБ у плазмі мізерно мала і стандартними методами не визначається. При гострому запальному процесі вона збільшується більш ніж 20 разів, у разі С-РБ виявляється у крові. Дослідження С-РБ має перевагу над іншими маркерами запального процесу: визначенням ШОЕ та підрахунком числа лейкоцитів. Даний показник чутливіший, його збільшення відбувається раніше і після одужання швидше повертається до норми.

γ-Глобуліни:

• Імуноглобуліни (IgA, IgG, IgM, IgD, IgE) є антитіла, що виробляються організмом у відповідь на введення чужорідних речовин з антигенною активністю. Докладніше про ці білки див. 1.2.5.

30.2.2. Кількісні та якісні зміни білкового складу плазми крові.При різних патологічних станах білковий склад плазми може змінюватися. Основними видами змін є:

• Гіперпротеїнемія - Збільшення вмісту загального білка плазми. Причини: втрата великої кількості води (блювання, діарея, великі опіки), інфекційні захворювання (за рахунок збільшення кількості γ-глобулінів).
• Гіпопротеїнемія - Зменшення вмісту загального білка в плазмі. Спостерігається при захворюваннях печінки (внаслідок порушення синтезу білків), при захворюваннях нирок (внаслідок втрати білків із сечею), при голодуванні (внаслідок нестачі амінокислот для синтезу білків).
• Диспротеїнемія - Зміна відсоткового співвідношення білкових фракцій при нормальному вмісті загального білка в плазмі крові, наприклад, зниження вмісту альбумінів і збільшення вмісту однієї або декількох глобулінових фракцій при різних запальних захворюваннях.
• Парапротеїнемія - поява в плазмі крові патологічних імуноглобулінів - парапротеїнів, що відрізняються від нормальних білків за фізико-хімічними властивостями та біологічною активністю. До таких білків відносяться, наприклад, кріоглобуліни, що утворюють один з одним преципітати при температурі нижче 37 ° С. Парапротеїни виявляються в крові при макроглобулінемії Вальденстрема, при мієломній хворобі (в останньому випадку вони можуть долати нирковий бар'єр і виявлятися в сечі як білки Бенс-Джонса). Парапротеїнемія, як правило, супроводжується гіперпротеїнемією.

30.2.3. Ліпопротеїнові фракції плазми.Ліпопротеїни – складні сполуки, що здійснюють транспорт ліпідів у крові. До складу їх входять: гідрофобне ядро,містить триацилгліцероли та ефіри холестеролу, та амфіфільна оболонка,утворена фосфоліпідами, вільним холестеролом та білками-апопротеїнами (рисунок 2). У плазмі крові людини містяться такі фракції ліпопротеїнів:

Малюнок 2.Схема будови ліпопротеїну плазми.

• Ліпопротеїни високої щільності або α-ліпопротеїни , так як при електрофорез на папері вони рухаються разом з α-глобулінами. Містять багато білків та фосфоліпідів, транспортують холестерол із периферичних тканин у печінку.
• Ліпопротеїни низької щільності або β-ліпопротеїни , так як при електрофорез на папері вони рухаються разом з β-глобулінами. Багаті на холестерол; транспортують його з печінки у периферичні тканини.
• Ліпопротеїни дуже низької щільності або пре-β-ліпопротеїни (На електрофореграмі розташовані між α-і β-глобулінами). Служать транспортною формою ендогенних триацилгліцеролів, що є попередниками ліпопротеїнів низької щільності.
• Хіломікрони - електрофоретично нерухомі; у крові, взятій натщесерце, відсутні. Є транспортною формою екзогенних (харчових) триацилгліцеролів.

30.2.4. Білки гострої фази запалення.Це білки, вміст яких збільшується в плазмі при гострому запальному процесі. До них відносяться, наприклад, такі білки:

1. гаптоглобін ;
2. церулоплазмін ;
3. С-реактивний білок ;
4. α 1-антитрипсин ;
5. фібриноген (компонент системи згортання крові; див. 30.7.2).

Швидкість синтезу цих білків збільшується насамперед за рахунок зниження утворення альбумінів, трансферину та альбумінів (невелика фракція білків плазми, що має найбільшу рухливість при диск-електрофорезі, і якій відповідає смуга на електрофореграмі перед альбумінами), концентрація яких при гострому воспі.

Біологічна роль білків гострої фази: а) всі ці білки є інгібіторами ферментів, що звільняються при руйнуванні клітин, і запобігають вторинному пошкодженню тканин; б) ці білки мають імунодепресорну дію (В.Л.Доценко, 1985).

30.2.5. Захисні білки плазми.До білків, що виконують захисну функцію, відносяться імуноглобуліни та інтерферони.

Імуноглобуліни (антитіла) – група білків, що виробляються у відповідь на потрапляння в організм чужорідних структур (антигенів). Вони синтезуються в лімфовузлах та селезінці лімфоцитами В. Виділяють 5 класів імуноглобулінів- IgA, IgG, IgM, IgD, IgE.

Малюнок 3.Схема будови імуноглобулінів (сірим кольором показана варіабельна область, не зафарбована – константна область).

Молекули імуноглобулінів мають єдиний план будови. Структурну одиницю імуноглобуліну (мономер) утворюють чотири поліпептидні ланцюги, з'єднані між собою дисульфідними зв'язками: два важкі (ланцюги Н) і два легкі (ланцюги L) (див. малюнок 3). IgG, IgD та IgЕ за своєю структурою, як правило, є мономерами, молекули IgM побудовані з п'яти мономерів, IgA складаються з двох і більше структурних одиниць або є мономерами.

Білкові ланцюги, що входять до складу імуноглобулінів, можна умовно розділити на специфічні домени, або області, що мають певні структурні та функціональні особливості.

N-кінцеві ділянки як L-, так і Н-ланцюгів називаються варіабельною областю (V), так як їх структура характеризується суттєвими відмінностями у різних класів антитіл. Усередині варіабельного домену є 3 гіперваріабельні ділянки, що відрізняються найбільшою різноманітністю амінокислотної послідовності. Саме варіабельна область антитіл є відповідальною за зв'язування антигенів за принципом комплементарності; первинна структура білкових ланцюгів у цій галузі визначає специфічність антитіл.

С-кінцеві домени Н- і L-ланцюгів мають відносно постійну первинну структуру в межах кожного класу антитіл і називаються константною областю (С). Константна область визначає властивості різних класів імуноглобулінів, їх розподіл в організмі може брати участь у запуску механізмів, що викликають знищення антигенів.

Інтерферони - сімейство білків, що синтезуються клітинами організму у відповідь на вірусну інфекцію та мають противірусний ефект. Розрізняють кілька типів інтерферонів, що мають специфічний спектр дії: лейкоцитарний (α-інтерферон), фібробластний (β-інтерферон) та імунний (γ-інтерферон). Інтерферони синтезуються і секретуються одними клітинами і виявляють свій ефект, впливаючи інші клітини, у цьому відношенні вони подібні гормонам. Механізм дії інтерферонів показаний малюнку 4.

Малюнок 4.Механізм дії інтерферонів (Ю.А.Овчинніков, 1987).

Зв'язуючись з клітинними рецепторами, інтерферони індукують синтез двох ферментів - 2",5"-олігоаденілатсинтетази та протеїнкінази, ймовірно, за рахунок ініціації транскрипції відповідних генів. Обидва ферменти, що утворюються, проявляють свою активність у присутності дволанцюжкових РНК, а саме такі РНК є продуктами реплікації багатьох вірусів або містяться в їх віріонах. Перший фермент синтезує 2",5"-олігоаденілати (з АТФ), які активують клітинну рибонуклеазу I; другий фермент фосфорилює фактор ініціації трансляції IF2. Кінцевим результатом цих процесів є інгібування біосинтезу білка та розмноження вірусу в інфікованій клітині (Ю.А.Овчинніков, 1987).

30.2.6. Ферменти плазми.Всі ферменти, що містяться в плазмі, можна розділити на три групи:

1. секреторні ферменти - синтезуються у печінці, виділяються у кров, де виконують свою функцію (наприклад, фактори згортання крові);
2. екскреторні ферменти - синтезуються у печінці, у нормі виділяються з жовчю (наприклад, лужна фосфатаза), їх вміст та активність у плазмі крові зростає при порушенні відтоку жовчі;
3. індикаторні ферменти - синтезуються у різних тканинах і потрапляють у кров при руйнуванні клітин цих тканин. У різних клітинах переважають різні ферменти, тому за ушкодженні тієї чи іншої органу у крові з'являються характерні йому ферменти. Це може бути використане у діагностиці захворювань.

Наприклад, при пошкодженні клітин печінки ( гепатит) у крові зростає активність аланінамінотраноферази (АЛТ), аспартатамінотрансферази (ACT), ізоферменту лактатдегідрогенази ЛДГ5, глутаматдегідрогенази, орнітинкарбамоїлтрансферази.

При пошкодженні клітин міокарда ( інфаркт) у крові зростає активність аспартатамінотрансферази (ACT), іеоферменту лактатдегідрогенази ЛДГ1, ізоферменту креатинкінази MB.

При пошкодженні клітин підшлункової залози ( панкреатит) у крові зростає активність трипсину, α-амілази, ліпази.

30.3. Небілкові азотисті компоненти крові (залишковий азот).

До цієї групи речовин належать: сечовина, сечова кислота, амінокислоти, креатин, креатинін, аміак, індикан, білірубін та інші сполуки (див. рис. 5). Вміст залишкового азоту в плазмі здорових людей - 15-25 ммоль/л. Підвищення вмісту залишкового азоту в крові називається азотемією . Залежно від причини, азотемія поділяється на ретенційну та продукційну.

Ретенційна азотемія виникає при порушенні виведення продуктів азотистого обміну (насамперед сечовини) із сечею та характерна для недостатності функції нирок. І тут до 90% небілкового азоту крові посідає азот сечовини замість 50% гаразд.

Продукційна азотемія розвивається при надмірному надходженні азотистих речовин у кров внаслідок посиленого розпаду тканинних білків (тривале голодування, цукровий діабет, тяжкі поранення та опіки, інфекційні захворювання).

Визначення залишкового азоту проводять у безбілковому фільтраті сироватки крові. В результаті мінералізації безбілкового фільтрату при нагріванні з концентрованою Н2 SO4 азот всіх небілкових сполук переходить у форму (NH4)2SO4. Іони NH4+ визначають за допомогою реактиву Несслера.

• Сечовина -Основний кінцевий продукт обміну білків в людини. Утворюється внаслідок знешкодження аміаку у печінці, виводиться з організму нирками. Тому вміст сечовини у крові знижується при захворюваннях печінки та зростає при нирковій недостатності.
• Амінокислоти- надходять у кров при всмоктуванні із шлунково-кишкового тракту або є продуктами розпаду тканинних білків. У крові здорових людей серед амінокислот переважають аланін та глутамін, які поряд з участю у біосинтезі білків є транспортними формами аміаку.
• Сечова кислота- Кінцевий продукт катаболізму пуринових нуклеотидів. Зміст їх у крові зростає при подагрі (внаслідок посиленого освіти) і за порушення функції нирок (через недостатнього виведення).
• Креатин- синтезується у нирках та печінці, у м'язах перетворюється на креатинфосфат – джерело енергії для процесів м'язового скорочення. При захворюваннях м'язової системи вміст креатину у крові значно зростає.
• Креатинін- кінцевий продукт азотистого обміну, що утворюється в результаті дефосфорилювання креатинфосфату в м'язах, виводиться з організму нирками. Зміст креатиніну в крові знижується при захворюваннях м'язової системи, підвищується при нирковій недостатності.
• Індікан -продукт знешкодження індолу, що утворюється в печінці, виводиться нирками. Вміст його в крові знижується при захворюваннях печінки, підвищується – при посиленні процесів гниття білків у кишечнику, при захворюваннях нирок.
• Білірубін (прямий та непрямий)- Продукти катаболізму гемоглобіну. Вміст білірубіну в крові збільшується при жовтяницях: гемолітичної (за рахунок непрямого білірубіну), обтураційної (за рахунок прямого білірубіну), паренхіматозної (за рахунок обох фракцій).

Малюнок 5.Небілкові азотисті сполуки плазми.

30.4. Безазотисті органічні компоненти крові.

У цю групу речовин входять поживні речовини (вуглеводи, ліпіди) та продукти їхнього метаболізму (органічні кислоти). Найбільше значення у клініці має визначення вмісту в крові глюкози, холестеролу, вільних жирних кислот, кетонових тіл та молочної кислоти. Формули цих речовин представлені малюнку 6.

• Глюкоза- Головний енергетичний субстрат організму. Зміст її у здорових людей крові натще - 3,3 - 5,5 ммоль/л. Підвищення вмісту глюкози у крові (гіперглікемія)спостерігається після прийому їжі, при емоційному стресі, у хворих на цукровий діабет, гіпертиреоз, хворобу Іценко-Кушинга. Зниження вмісту глюкози у крові (гіпоглікемія)спостерігається при голодуванні, інтенсивних фізичних навантаженнях, гострому алкогольному отруєнні, передозуванні інсуліну.
• Холестерол- обов'язковий ліпідний компонент біологічних мембран, попередник стероїдних гормонів, вітаміну D3, жовчних кислот. Вміст його у плазмі крові здорових людей – 3,9 – 6,5 ммоль/л. Підвищення вмісту холестеролу в крові ( гіперхолестеролемія) спостерігається при атеросклерозі, цукровому діабеті, мікседемі, жовчно-кам'яній хворобі. Зниження рівня холестеролу в крові ( гіпохолестеролемія) виявляється при гіпертиреозі, цирозі печінки, захворюваннях кишечника, голодуванні, при прийомі жовчогінних препаратів.
• Вільні жирні кислоти (СЖК)використовуються тканинами та органами як енергетичний матеріал. Зміст СЖК у крові підвищується при голодуванні, цукровому діабеті, після введення адреналіну та глюкокортикоїдів; знижується при гіпотиреозі після введення інсуліну.
• Кетонові тіла.До кетонових тел належать ацетоацетат,β-гідроксибутират, ацетон- Продукти неповного окиснення жирних кислот. Вміст кетонових тіл у крові підвищується ( гіперкетонемія) при голодуванні, лихоманці, цукровому діабеті.
• Молочна кислота (лактат)- Кінцевий продукт анаеробного окислення вуглеводів. Зміст їх у крові підвищується при гіпоксії (фізичні навантаження, захворювання легень, серця, крові).
• Пировиноградна кислота (піруват)- проміжний продукт катаболізму вуглеводів та деяких амінокислот. Найбільш різке підвищення вмісту піровиноградної кислоти в крові відзначається при м'язовій роботі та недостатності вітаміну В1.

Малюнок 6.Безазотисті органічні речовини плазми.

30.5. Мінеральні компоненти плазми.

Мінеральні речовини є важливими компонентами плазми крові. Найважливішими катіонами є іони натрію, калію, кальцію та магнію. Їм відповідають аніони: хлориди, бікарбонати, фосфати, сульфати. Частина катіонів у плазмі крові пов'язані з органічними аніонами та білками. Сума всіх катіонів дорівнює сумі аніонів, оскільки плазма електронейтральна.

• Натрій- Основний катіон позаклітинної рідини. Його вміст у плазмі крові 135 – 150 ммоль/л. Іони натрію беруть участь у підтримці осмотичного тиску позаклітинної рідини. Гіпернатріємія спостерігається при гіперфункції кори надниркових залоз, при введенні гіпертонічного розчину натрію хлориду парентерально. Гіпонатріємія може бути обумовлена ​​безсольовою дієтою, недостатністю надниркових залоз, діабетичним ацидозом.
• Калійє основним внутрішньоклітинним катіоном. У плазмі він міститься у кількості 3,9 ммоль/л, а еритроцитах - 73,5 - 112 ммоль/л. Як і натрій, калій підтримує осмотичний та кислотно-основний гомеостаз у клітині. Гіперкаліємія відзначається при посиленому руйнуванні клітин (гемолітична анемія, синдром тривалого роздавлювання), порушення виділення калію нирками, при зневодненні організму. Гіпокаліємія спостерігається при гіперфункції кори надниркових залоз, діабетичному ацидозі.
• Кальційу плазмі крові міститься у вигляді форм. Виконують різні функції: пов'язаний з білками (0,9 ммоль/л), іонізований (1,25 ммоль/л) та неіонізований (0,35 ммоль/л). Біологічно активним є лише іонізований кальцій. Гіперкальціємія спостерігається при гіперпаратиреозі, гіпервітамінозі D, синдромі Іценко-Кушинга, деструктивних процесах у кістковій тканині. Гіпокальціємія зустрічається при рахіті, гіпопаратиреозі, захворюваннях нирок.
• Хлоридимістяться у плазмі крові у кількості 95 - 110 ммоль/л, беруть участь у підтримці осмотичного тиску, кислотно-основного стану позаклітинної рідини. Гіперхлоремія спостерігається при серцевій недостатності, артеріальній гіпертензії, гіпохлоремії – при блюванні, захворюваннях нирок.
• Фосфатив плазмі є компонентами буферної системи, їх концентрація становить 1 - 1,5 ммоль/л. Гіперфосфатемія спостерігається при захворюваннях нирок, гіпопаратиреозі, гіпервітамінозі D. ​​Гіпофосфатемія відмічена при гіперпаратиреозі, мікседемі, рахіті.

0.6. Кислотно-основний стан та його регуляція.

Кислотно-основний стан (КОС) - співвідношення концентрації водневих (Н+) і гідроксильних (ОН-) іонів у рідинах організму. Для здорової людини характерна відносна сталість показників КОС, зумовлена ​​спільною дією буферних систем крові та фізіологічного контролю (органи дихання та виділення).

30.6.1. Буферні системи крові.Буферні системи організму складаються із слабких кислот та їх солей із сильними основами. Кожна буферна система характеризується двома показниками:

• рН буфера(залежить від співвідношення компонентів буфера);
• буферна ємністьтобто кількість сильної основи або кислоти, яку потрібно додати до буферного розчину для зміни рН на одиницю (залежить від абсолютних концентрацій компонентів буфера).

Розрізняють такі буферні системи крові:

• бікарбонатна(H2 CO3 /NaHCO3);
• фосфатна(NaH2 PO4 / Na2 HPO4);
• гемоглобінова(дезоксигемоглобін як слабка кислота/ калієва сіль оксигемоглобіну);
• білкова(Дія її обумовлена ​​амфотерністю білків). Бікарбонатна та тісно пов'язана з нею гемоглобінова буферні системи складають у сукупності понад 80% буферної ємності крові.

30.6.2. Дихальне регулювання КОСздійснюється шляхом зміни інтенсивності зовнішнього дихання. При накопиченні у крові СО2 та Н+ посилюється легенева вентиляція, що призводить до нормалізації газового складу крові. Зниження концентрації вуглекислоти та Н+ викликає зменшення легеневої вентиляції та нормалізацію даних показників.

30.6.3. Ниркове регулювання КІСздійснюється головним чином за рахунок трьох механізмів:

• реабсорбції бікарбонатів (у клітинах ниркових канальців з Н2 Про і СО2 утворюється вугільна кислота Н2 СО3; вона дисоціює, Н+ виділяється в сечу, НСО3 - реабсорбується в кров);
• реабсорбції Na+ з клубочкового фільтрату в обмін на Н+ (при цьому Na2 HPO4 у фільтраті переходить у NaH2 PO4 та збільшується кислотність сечі) ;
• секреції NH 4+ (при гідролізі глутаміну в клітинах канальців утворюється NH3; він взаємодіє з H+, утворюються іони NH4+, які виводяться із сечею.

30.6.4. Лабораторні показники КОС крові.Для характеристики КОС використовують такі показники:

• рН крові;
• парціальний тиск СО2 (рСО2) крові;
• парціальний тиск О2 (рО2) крові;
• вміст бікарбонатів у крові при даних значеннях рН та рСО2 ( актуальний чи дійсний бікарбонат, АВ );
• вміст бікарбонатів у крові пацієнта у стандартних умовах, тобто. при рСО2 = 40 мм рт. ( стандартний бікарбонат, SB );
• сума підстав всіх буферних систем крові ( ВВ );
• надлишок або дефіцит основ крові в порівнянні з нормальним для даного пацієнта показником ( BE , від англ. base excess).

Перші три показники визначаються у крові з допомогою спеціальних електродів, виходячи з отриманих даних розраховуються інші показники з допомогою номограм чи формул.

30.6.5. Порушення КОС крові.Відомі чотири основні форми порушень кислотно-основного стану:

• метаболічний ацидоз - виникає при цукровому діабеті та голодуванні (за рахунок накопичення кетонових тіл у крові), при гіпоксії (за рахунок накопичення лактату). При цьому порушенні знижується рСО2 та [НСО3 - ] крові, збільшується екскреція NH4+ із сечею;
• дихальний ацидоз - Виникає при бронхіті, пневмонії, бронхіальній астмі (в результаті затримки вуглекислоти в крові). При цьому порушенні підвищується рСО2 та крові, збільшується екскреція NH4+ із сечею;
• метаболічний алкалоз - розвивається при втраті кислот, наприклад, при неприборканому блюванні. При цьому порушенні підвищується рСО2 та крові, збільшується екскреція НСО3 – із сечею, знижується кислотність сечі.
• дихальний алкалоз - спостерігається при посиленій вентиляції легень, наприклад у альпіністів на великій висоті. У цьому порушенні знижується рСО2 і [НСО3 - ] крові, зменшується кислотність сечі.

Для лікування метаболічного ацидозу використовують запровадження розчину бікарбонату натрію; для лікування метаболічного алкалозу – введення розчину глутамінової кислоти.

30.7. Деякі молекулярні механізми згортання крові.

30.7.1. Згортання крові- Сукупність молекулярних процесів, що призводять до припинення кровотечі з пошкодженої судини в результаті утворення кров'яного згустку (тромбу). Загальна схема процесу згортання крові представлена ​​малюнку 7.

Малюнок 7.Загальна схема згортання крові.

Більшість факторів згортання присутні у крові у вигляді неактивних попередників - проферментів, активація яких здійснюється шляхом часткового протеолізу. Ряд факторів згортання крові є вітамін К-залежними: протромбін (фактор II), проконвертин (фактор VII), фактори Крістмаса (IX) та Стюарта-Прауера (Х). Роль вітаміну До визначається участю в карбоксилюванні залишків глутамату в N-кінцевій ділянці цих білків з утворенням γ-карбоксиглутамату.

Згортання крові являє собою каскад реакцій, в якому активована форма одного згортання фактора каталізує активацію наступного доти, поки кінцевий фактор, який є структурною основою тромбу, не буде активований.

Особливості каскадного механізмуполягають у наступному:

1) відсутність фактора, що ініціює процес тромбоутворення, реакція не може відбутися. Тому процес згортання крові буде обмежений лише тією ділянкою кров'яного русла, де з'являється такий ініціатор;

2) фактори, що діють на початкових етапах згортання крові, потрібні в дуже малих кількостях. На кожній ланці каскаду їхній ефект багаторазово посилюється ( ампліфікується), що забезпечує в результаті швидку реакцію у відповідь на пошкодження.

У звичайних умовах існують внутрішній та зовнішній шлях згортання крові. Внутрішній шлях ініціюється зіткненням з атиповою поверхнею, що призводить до активації факторів, які були присутні в крові. Зовнішній шлях згортання ініціюється сполуками, що у звичайних умовах у крові не присутніми, але надходять туди внаслідок пошкодження тканин. Для нормального перебігу процесу згортання крові необхідні обидва ці механізми; вони різняться тільки на початкових етапах, а потім об'єднуються в загальний шлях , Що призводить до утворення фібринового згустку

30.7.2. Механізм активації протромбіну.Неактивний попередник тромбіну протромбін - синтезується у печінці. У його синтезі бере участь вітамін К. Протромбін містить залишки рідкісної амінокислоти - γ-карбоксиглутамату; скорочене позначення - Gla). У процесі активації протромбіну беруть участь тромбоцитарні фосфоліпіди, іони Са2+ та фактори згортання Va та Ха. Механізм активації представляється так (рисунок 8).

Малюнок 8.Схема активації протромбіну на тромбоцитах (Р.Маррі та співавт., 1993).

Ушкодження кровоносної судини призводить до взаємодії тромбоцитів крові з колагеновими волокнами судинної стінки. Це викликає руйнування тромбоцитів та сприяє виходу назовні негативно заряджених молекул фосфоліпідів внутрішньої сторони плазматичної мембрани тромбоцитів. Негативно заряджені угруповання фосфоліпідів пов'язують іони Са2+. Іони Са2+ у свою чергу взаємодіють із залишками γ-карбоксиглутамату в молекулі протромбіну. Ця молекула фіксується на мембрані тромбоцита у потрібній орієнтації.

Тромбоцитарна мембрана містить рецептори для фактора Va. Цей фактор зв'язується з мембраною та приєднує фактор Хa. Чинник Хa є протеазою; він розщеплює молекулу протромбіну у певних місцях, у результаті утворюється активний тромбін.

30.7.3. Перетворення фібриногену на фібрин.Фібриноген (фактор I) – розчинний глікопротеїн плазми з молекулярною масою близько 340 000. Він синтезується у печінці. Молекула фібриногену складається з шести поліпептидних ланцюгів: два А α-ланцюга, два В β-ланцюга, і два γ-ланцюга (див. малюнок 9). Кінці поліпептидних ланцюгів фібриногену несуть негативний заряд. Це зумовлено присутністю великої кількості залишків глутамату та аспартату в N-кінцевих областях ланцюгів Аa та Вb. Крім того, В-області ланцюгів Вb містять залишки рідкої амінокислоти тирозин-О-сульфату, також заряджені негативно:

Це сприяє розчинності білка у воді та перешкоджає агрегації його молекул.

Малюнок 9.Схема будови фібриногену; стрілками показані зв'язки, що гідролізуються тромбіном. Р.Маррі та співавт., 1993).

Перетворення фібриногену на фібрин каталізує тромбін (Фактор IIa). Тромбін гідролізує чотири пептидні зв'язки у фібриногені: два зв'язки в ланцюгах А і два зв'язки в ланцюгах В. Від молекули фібриногену відщеплюються фібринопептиди А і В і утворюється фібрин-мономер (його склад α2 β2 γ2 ). Мономери фібрину нерозчинні у воді та легко асоціюють один з одним, утворюючи фібриновий потік.

Стабілізація фібринового згустку відбувається під дією ферменту трансглутамінази (Фактор XIIIa). Цей фактор також активується тромбіном. Трансглутаміназ утворює поперечні зшивки між мономерами фібрину за допомогою ковалентних ізопептидних зв'язків.

30.8. Особливості метаболізму еритроциту.

30.8.1. Еритроцити - Високоспеціалізовані клітини, основною функцією яких є транспорт кисню з легень у тканині. Тривалість життя еритроцитів становить середньому 120 діб; руйнація їх відбувається у клітинах ретикуло-ендотеліальної системи. На відміну від більшості клітин організму, у еритроциту відсутні клітинне ядро, рибосоми та мітохондрії.

30.8.2. Енергетичний обмін.Основним енергетичним субстратом еритроциту є глюкоза, яка надходить із плазми крові шляхом полегшеної дифузії. Близько 90% глюкози, що використовується еритроцитом, піддається гліколіз(Анаеробного окислення) з утворенням кінцевого продукту - молочної кислоти (лактату). Запам'ятайте функції, які виконує гліколіз у зрілих еритроцитах:

1) у реакціях гліколізу утворюється АТФшляхом субстратного фосфорилювання . Основний напрямок використання АТФ в еритроцитах - забезпечення роботи Na+, K+-АТФази. Цей фермент здійснює транспорт іонів Nа+ з еритроцитів у плазму крові, перешкоджає накопиченню Na+ в еритроцитах та сприяє збереженню геометричної форми цих клітин крові (двояковогнутий диск).

2) у реакції дегідрування гліцеральдегід-3-фосфатуу гліколізі утворюється НАДН. Цей кофермент є кофактором ферменту метгемоглобінредуктази , що бере участь у відновленні метгемоглобіну в гемоглобін за наступною схемою:

Ця реакція перешкоджає накопиченню метгемоглобіну в еритроцитах.

3) метаболіт гліколізу 1, 3-дифосфогліцератздатний за участю ферменту дифосфогліцератмутази у присутності 3-фосфогліцерату перетворюватися на 2, 3-дифосфогліцерат:

2,3-дифосфогліцерат бере участь у регуляції спорідненості гемоглобіну до кисню. Його вміст в еритроцитах підвищується при гіпоксії. Гідроліз 2,3-дифосфогліцерату каталізує фермент дифосфогліцератфосфатаза.

Приблизно 10% глюкози, що споживається еритроцитом, використовується в пентозофосфатному шляху окислення. Реакції цього шляху служать основним джерелом НАДФН для еритроциту. Цей кофермент необхідний для переведення окисленого глутатіону (див. 30.8.3) у відновлену форму. Дефіцит ключового ферменту пентозофосфатного шляху глюкозо-6-фосфатдегідрогенази - супроводжується зменшенням в еритроцитах відношення НАДФН/НАДФ+, збільшенням вмісту окисленої форми глутатіону і зниженням резистентності клітин (гемолітична анемія).

30.8.3. Механізми знешкодження активних форм кисню в еритроцитах.Молекулярний кисень у певних умовах може перетворюватися на активні форми, до яких відносяться супероксидний аніон О2 - пероксид водню Н2 О2 гідроксильний радикал ВІН. та синглетний кисень 1 О2 . Ці форми кисню мають високу реакційну здатність, можуть надавати шкідливу дію на білки і ліпіди біологічних мембран, викликати руйнування клітин. Чим вище зміст О2 тим більше утворюється його активних форм. Тому еритроцити, які постійно взаємодіють з киснем, містять ефективні антиоксидантні системи, здатні знешкоджувати активні метаболіти кисню.

Важливим компонентом антиоксидантних систем є трипептид. глутатіон,що утворюється в еритроцитах в результаті взаємодії γ-глутамілцистеїну та гліцину:

Відновлена ​​форма глутатіону (скорочене позначення Г-SH) бере участь у реакціях знешкодження пероксиду водню та органічних пероксидів (R-O-OH). При цьому утворюються вода та окислений глутатіон (скорочене позначення Г-S-S-Г).

Перетворення окисленого глутатіону на відновлений каталізує фермент глутатіонредуктаза. Джерело водню - НАДФН (з пентозофосфатного шляху, див. 30.8.2):

В еритроцитах є також ферменти супероксиддисмутаза і каталаза , Що здійснюють наступні перетворення:

Антиоксидантні системи мають для еритроцитів особливе значення, оскільки в еритроцитах немає оновлення білків шляхом синтезу.