Биологическая роль и проявления недостатка микроэлементов (Cu, Zn, F, J и др.)
Биологическая роль в патологии макроэлементов
Живой организм содержит около 55-70 химических элементов. Их условно делят на макроэлементы (содержание их 10^ - ? г и более – углерод, азот, кислород, водород, натрий, калий, кальций, магний, хлор, фосфор) и микроэлементы (содержание их 10^ - ?- 10^ - ?? г – медь, цинк, ванадий, марганец, фтор, йод, и др.). Первые играют роль пластического материала в построении тканей, создают физико-химические условия для физиологических процессов (осмотическое давление, рН среды, состояние коллоидов) и др.
Вторые принимают непосредственное участие в обмене веществ в качестве биологических катализаторов химических процессов в тканях и средах организма наряду с ферментами, гормонами, витаминами.
Приоритет научного обоснования биологической роли микроэлементов принадлежит В. И. Вернадскому, заложившему в 20-х годах нашего столетия основы биогеохимии. Находясь в незначительных концентрациях в структуре ряда важных ферментов, гормонов, витаминов и других биологических факторов, микроэлементы способны стимулировать или угнетать ферментные процессы в организме.
Биологическая активность микроэлементов может проявляться путем образования металлопротеинов. Они обладают специфическими свойствами ферментов или витаминов. Входя в состав тканевой жидкости, они оказывают определенное влияние как электролиты на осмотическое давление, ионное равновесие и т. д. Некоторые органические комплексы микроэлементов, участвуя в межуточных процессах обмена, оказывают существенное влияние на рост, размножение, кроветворение, тканевое дыхание и другие важные функции организма. Диапазон спектра биологического действия каждого микроэлемента, по-видимому, находится в связи со способностью этого элемента к комплексообразованию с аминокислотами, некоторыми оксикислотами, желчными кислотами и др.
Некоторые микроэлементы обладают действием на минеральный обмен, в частности на процессы минерализации и диминерализации зубов (медь, фтор, марганец, ванадий) и др. Универсальным депо микроэлементов является печень. Максимальное количество большинства микроэлементов накапливается в тканях с высокой функциональной активностью (сетчатка, зрительный нерв) и минимальное- в склере, роговице, хрусталике. Как дефицит, так и избыточное поступление в организм определенных микроэлементов, приводящее к глубоким нарушениям обмена веществ, могут явиться причиной развития ряда заболеваний. Например, оказалось, что повышенное содержание во внешней среде молибдена, бора, цинка, фтора и, следовательно, длительное систематическое поступление их в организм определяет развитие таких болезней как эндемическая подагра, энтериты, злокачественные опухоли, флюороз зубов и т. п.
Дефицит в поступлении йода, железа, цинка в организм обусловливает возникновение эндемического зоба, анемии, инфантилизма. Диета с разным солевым составом оказывает влияние на частоту и интенсивность экспериментального кариеса. Для некоторых микроэлементов потребность составляет всего несколько микрограммов на 1 кг пищи. Если эти элементы в повышенных концентрациях присутствуют в атмосферном воздухе и окружающей среде, поступление их может в значительной степени происходить за счет этих источников. Изменения в окружающей среде, вызванные индустриализацией, оказывают важное влияние на поступление в организм человека микроэлементов. Природа, масштабы и значение такого влияния для здоровья человека малоизвестны, а его важность недооценивается наукой и медицинской практикой.
Медь /Cu/
Медь необходима для многих физиологических процессов: кроветворение, остеогенез, воспроизводительная функция, синтез меланина и др. Медьсодержащие ферменты и белки играют роль в окислительно-восстановительных процессах. Среди таких ферментов одно из центральных мест занимает цитохромоксидаза. Аминооксидазы, катализирующие превращение биогенных аминов, имеют все в своем составе медь. Известно, что Cu стимулирует созревание ретикулоцитов до эритроцитов, поэтому при недостатке Cu эритроцитопоэз доходит лишь до стадии ретикулоцитов. Нарушается синтез гемоглобина. Недостаточность Cu сопровождается также нарушением структуры и свойств соединительной ткани.
У больных сахарным диабетом, ишемической болезнью сердца, с заболеваниями органов пищеварения содержание Cu в крови снижено, и наоборот, при лейкозах, неврозах и эпилепсии характерна гиперкупремия. Это говорит о том, что многие патологические процессы сопровождаются как недостатком, так и избытком Cu. Специфически изменяется обмен Cu при гепатолентикулярной дегенерации или болезни Вильсона-Коновалова. При этой болезни нарушен синтез церулоплазмина, который служит регулятором баланса Cu и обеспечивает выведение ее избытка из организма. Болезнь характеризуется высоким содержанием Cu в печени, головном мозге, коже и роговице, что приводит к поражению указанных структур. Потребность в Cu у взрослого человека 2-3 мг в сутки. До 85% от общего баланса ее выводится с желчью.
Цинк /Zn/
Цинк входит в состав целого ряда ферментов: карбоангидраза, карбоксипептидаза, щелочная фосфатаза, алкогольдегидрогеназа и др. Удаление Zn лишает фермент специфичности. Zn наряду с другими металлами входит в состав ДНК и стабилизирует ее структуру. Установлено, что Zn учавствует в клеточном делении, способствует более быстрому заживлению ран. В раковых клетках Zn находится в более прочных связях с белком, чем в нормальных. Хорошо известно, что Zn имеет значение для нормальной секреции инсулина. Молекулы инсулина, связанные с Zn, стабильны. Недостаток цинка у животных приводит к задержке роста и нарушению в половой сфере- тестикулярной атрофии, нарушению сперматогенеза, эстрального цикла. Отмечены также поражения кожи и слизистых оболочек: тяжелые дерматиты, облысение, развитие гиперкератоза слизистой оболочки пищевода. Большая часть всего Zn крови (85%) находится в эритроцитах. При лейкозе концентрация цинка в лейкоцитах значительно понижена, что является постоянным и характерным признаком этого заболевания. В остром периоде инфаркта Zn в крови меньше, а при выздоровлении его уровень повышается. У человека иногда недостаточность Zn проявляется карликовостью. У этих больных наблюдается задержка роста и полового развития, гепатоспленомегалия.
Кадмий /Cd/
Установлено, что Cd ингибирует ряд ферментов, является антагонистом Zn, вытесняя его из каких-либо соединений. Cd токсически действует на клетки семенников, нарушает их кровообращение, что ведет к стерильности. Введение солей кадмия беременным крысам приводило к полному разрушению плодовой части плаценты. Во всех случаях беременность прерывалась с рассасыванием плода или абортом. Есть данные по 28 городам США, где выявлена положительная корреляция между средней концентрацией Cd в атмосфере и смертностью от гипертонической болезни и атеросклероза. Zn снижает токсичность Cd, увеличивает его выделение из организма через почки, с желчью, через кишечник. Особенно богаты Cd и Zn устрицы. Cd в высоких концентрациях содержится в зародышах пшеницы. Cd не является жизненно необходимым микроэлементом и не установлено его специфическое биологическое значение. Ферментов, содержащих в своем составе Cd, еще не найдено.
Кобальт /Со/
После открытия витамина В 12 , в структуре которого был найден Со, механизм стимулирующего влияния Со на эритропоэз стали объяснять участием Со в образовании этого витамина. Со влияет также на образование эритропоэтинов, усиливает ионизацию и резорбцию железа, способствует включению атома Fe в молекулу гемоглобина, ускоряет созревание эритроцитов и др. Гемопоэтическое его действие эффективно, если в организме имеются достаточные запасы Fe и Cu. Со способствует синтезу мышечных белков, принимает участие в углеводном обмене. Установлено гипогликемическое действие больших доз хлористого Со. Недостаточное поступление солей Со в организм приводит к неполному усвоению Са и др. Вместе с тем Со тормозит активность ферментов сукцинатдегидрогеназы, реакции синтеза тироксина. Содержание Со в крови несколько выше летом, что связано с употреблением в пищу свежих овощей и фруктов, богатых микроэлементами.
Молибден /Мо/
Роль Мо в обмене веществ обусловлена включением его в состав некоторых ферментов: ксантиноксидазы, альдегидоксидазы и др. Установлено, что концентрация мочевой кислоты в сыворотке и активность ксантиноксидазы в тканях людей и животных, которые подвергаются действию высоких доз Мо, значительно превышают норму. Крайне высокая заболеваемость подагрой в некоторых регионах Армении среди населения связана с аномально высокими концентрациями Мо в почве и растениях. Толерантность животных к высоким дозам Мо неодинакова. У молодых кроликов синдром молибденоза характеризуется алопецией, дерматозом, анемией, деформацией передних конечностей. Недостаток Мо ведет к образованию у животных (овец) ксантиновых камней в почках. К наиболее богатым источникам Мо относятся бобовые, зерно, лиственные овощи, а также печень и почки.
Йод /J/
Йод – важнейший микроэлемент. Роль его в организме связана с синтезом и обменом тиреоидных гормонов. Эти гормоны контролируют функционирование всех систем организма, рост и дифференцировку тканей, поглощение О?, влияют на скорость метаболизма, теплообразование, жировой, углеводный, белковый и другие виды обмена веществ. Действие тиреоидных гормонов на клеточном и субклеточном уровнях связано непосредственно с влиянием их на обмен веществ и энергии в митохондриях. В организм человека 90% J поступает с пищей, причем основным источником его является растительная пища. Особенно богаты J морские водоросли. Известно, что J быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте после приема его соединений натощак. Органический J сыворотки крови представлены в основном гормонами щитовидной железы. Отношение концентрации J в щитовидной железе к содержанию его в крови лежит в пределах 200-500. Величина задержки радиоактивного J в щитовидной железе старых животных (крыс) меньше, чем у молодых животных.
Основным путем выведения являются почки. При гипертиреозе у больных выведение J снижается, а при гитотиреозе резко возрастает. J также выделяется со слюной, желудочным соком, желчью, потом и др. концентрация J в слюне и желудочном соке может в 40 раз превышать таковую в плазме крови. Недостаток J ведет к развитию эндемического зоба. Добавление натрия или калий-йодида к питьевой воде или поваренной соли способствует профилактике заболевания.
В период аварии на Чернобыльской АЭС йод-131 явился источником переоблучения щитовидной железы, характерными последствиями нарушений которой являются угнетения обмена веществ, изменения деятельности сердечно-сосудистой системы, снижения иммунной защиты организма и изменения показателей периферической крови. Отдаленными последствиями поражения щитовидной железы могут быть стойкие нарушения ее функции, развитие доброкачественных и злокачественных опухолей, лейкозы. Однако влияния радиоактивных веществ на организм требуют специального рассмотрения.
Фтор (F)
Фтор входит в состав костей и зубной эмали. Повышения содержаня F в питьевой воде (более 1 кг/л) влечет к гиперплазии зубной эмали. Флюорозу и поражениям зубов (крапчатая эмаль). Наблюдается разрыхление костей (остеопороз), так как при флюорозе происходит выделения кальция и фосфора из костей. Недостаток F в питьевой воде и пище приводит к развитию кариеса зубов. Установлено, что F тормозит биосинтез углеводов, необходимых для жизнедеятельности бактерий, способствующих развитию кариеса.