Химические элементы в организме человека

Химические элементы в организме человека 

Все живые организмы  на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с  окружающей средой. Пищевые продукты и питьевая вода способствуют поступлению  в организм практически всех химических элементов. Они повседневно вводятся в организм и выводятся из него. Анализы показали, что количество отдельных химических элементов  и их соотношение в здоровом организме  различных людей примерно одинаковы. 

Мнение о том, что  в организме человека можно обнаружить практически все элементы периодической  системы Д.И. Менделеева, становится привычным. Однако предположения ученых идут дальше – в живом организме  не только присутствуют все химические элементы, но каждый из них выполняет  какую-то биологическую функцию. Вполне возможно, что эта гипотеза не подтвердится. Однако по мере того как развиваются  исследования в данном направлении, выявляется биологическая роль все  большего числа химических элементов. Несомненно, время и труд ученых прольют свет и на этот вопрос.

Биоактивность отдельных химических элементов 

Экспериментально  установлено, что в организме  человека металлы составляют около 3% (по массе). Это очень много. Если принять массу человека за 70 кг, то на долю металлов приходится 2,1 кг. По отдельным  металлам масса распределяется следующим  образом: кальций (1700 г), калий (250 г), натрий (70 г), магний (42 г), железо (5 г), цинк (3 г). Остальное приходится на микроэлементы. Если концентрация элемента в организме  превышает 10–2%, то его считают макроэлементом. Микроэлементы находятся в организме  в концентрациях 10–3...10–5%. Если концентрация элемента ниже 10–5%, то его считают  ультрамикроэлементом. Неорганические вещества в живом организме находятся в различных формах. Большинство ионов металлов образуют соединения с биологическими объектами. Уже сегодня установлено, что многие ферменты (биологические катализаторы) содержат ионы металлов. Например, марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо – в 70, медь – в 30, а цинк – более чем в 100. Естественно, что недостаток этих элементов должен сказаться на содержании соответствующих ферментов, а значит, и на нормальном функционировании организма. Таким образом, соли металлов совершенно необходимы для нормального функционирования живых организмов. Это подтвердили и опыты по бессолевой диете, которая применялась для кормления подопытных животных. Для этой цели многократным промыванием водой из пищи удаляли соли. Оказалось, что питание такой пищей приводило к гибели животных. 

Рассмотрим имеющуюся  на сегодняшнее время информацию о химических элементах, которые  входят в биологические системы  и оказывают на них определенное влияние. Прежде всего нужно указать на шесть элементов, атомы которых входят в состав белков и нуклеиновых кислот: углерод, водород, азот, кислород, фосфор, сера. Далее следует выделить двенадцать элементов, роль и значение которых для жизнедеятельности организмов известны: хлор, иод, натрий, калий, магний, кальций, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден. В литературе имеются указания на проявление биологической активности ванадием, хромом, никелем и кадмием. Таким образом, уже сейчас известно 22 биоэлемента. Во всех перечисленных случаях биологическая активность понимается как необходимость элемента для выполнения той или иной жизненно важной функции. Имеется большое число элементов, являющихся ядами для живого организма, например ртуть, таллий, свиней и др. Они оказывают неблагоприятное биологическое влияние, но без них организм может функционировать. Существует мнение, что причина действия этих ядов связана с блокированием определенных групп в молекулах протеинов или же с вытеснением из некоторых ферментов меди и цинка. Бывают элементы, которые в относительно больших количествах являются ядом, а в низких концентрациях оказывают полезное влияние на организм. Например, мышьяк является сильным ядом, нарушающим сердечно-сосудистую систему и поражающим печень и почки, но в небольших дозах он прописывается врачами для улучшения аппетита человека. Ученые считают, что микродозы мышьяка повышают устойчивость организма к действию вредных микробов. Широко известно сильное отравляющее вещество иприт S(CH2CH2Сl)2. Однако в разбавленном в 20000 тыс. раз вазелином под названием «Псориазина» его применяют против чешуйчатого лишая. Современная фармакотерапия пока еще не может обойтись без значительного числа лекарственных средств, в состав которых входят токсичные металлы. Как здесь не вспомнить поговорку, что в малых количествах лечит, а в больших – калечит. 

Интересно, что хлорид натрия (поваренная соль) в десятикратном  избытке в организме по сравнению  с нормальным содержанием является ядом. Кислород, необходимый человеку для дыхания, в высокой концентрации и особенно под давлением оказывает ядовитое действие. Из этих примеров видно, что концентрация элемента в организме иногда играет весьма существенное, а порой и катастрофическое значение. 

Железо входит в  состав гемоглобина крови, а точнее в красные пигменты крови, обратимо связывающие молекулярный кислород. У взрослого человека в крови  содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме  происходит постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восстановления железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление  в организм около 25 мг. Недостаток железа в организме приводит к заболеванию  – анемии. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним  связан сидероз глаз и легких –  заболевание, вызываемое отложением соединений железа в тканях этих органов. Недостаток в организме меди вызывает деструкцию кровеносных сосудов. Кроме того, считают, что его дефицит служит причиной раковых заболеваний. В  некоторых случаях поражение  раком легких у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением меди в организме. Однако избыток меди приводит к нарушению  психики и параличу некоторых  органов (болезнь Вильсона). Для человека вред причиняют лишь большие количества соединений меди. В малых дозах  они используются в медицине как  вяжущее и бактериостазное (задерживающее рост и размножение бактерий) средство. Так, например, сульфат меди (II) CuSO4 используют при лечении конъюнктивитов в виде глазных капель (0,25%-ный раствор), а также для прижиганий при трахоме в виде глазных карандашей (сплав сульфата меди (II), нитрата калия, квасцов и камфоры). При ожогах кожи фосфором производят ее обильное смачивание 5%-ным раствором сульфата меди (II). 

Давно замечено бактерицидное (вызывающее гибель различных бактерий) свойство серебра и его солей. Например, в медицине раствор коллоидного  серебра (колларгол) применяют для  промывания гнойных ран, мочевого пузыря при хронических циститах и уретритах, а также в виде глазных капель при гнойных конъюнктивитах и  бленнорее. Нитрат серебра AgNO3 в виде карандашей применяют для прижигания бородавок, грануляций и т.п. В разбавленных растворах (0,1...0,25%-ные) его используют как вяжущее и противомикробное средство для примочек, а также  в качестве глазных капель. Ученые считают, что прижигающее действие нитрата серебра связано с  его взаимодействием с белками  тканей, что приводит к образованию  белковых солей серебра – альбуминатов. 

В настоящее время бесспорно установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии – неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри нее. Наличие градиента концентраций калия и натрия – экспериментально установленный факт. Исследователей волнует загадка о природе калий-натриевого насоса и его функционирования. На разрешение этого вопроса направлены усилия многих коллективов ученых как в нашей стране, так и за рубежом. Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клетки падает. При наступлении смерти концентрация калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравнивается. 

Биологическая функция  ионов лития и рубидия в  здоровом организме пока не ясна. Однако имеются сведения, что введением  их в организм удается лечить одну из форм маникально-депрессивного психоза. 

Биологам и медикам  хорошо известно, что важную роль в  организме человека играют гликозиды. Некоторые природные гликозиды (извлекаемые  из растений) активно действуют на сердечную мышцу, усиливая сократительные функции и замедление ритма сердца. При попадании в организм большого количества сердечного гликозида может  произойти полная остановка сердца. Ионы некоторых металлов влияют на действие гликозидов. Например, при  введении в кровь ионов магния действие гликозидов на сердечную мышцу  ослабляется. Ионы кальция, наоборот, усиливают  действие сердечных гликозидов.

Наиболее известные  яды 

Из истории и  художественной литературы известно, что в прошлом в качестве ядов злоумышленники широко использовали мышьяк, сулему, цианистый калий. Нужно сразу  отметить, что в организм человека яды могут попасть не только по злому умыслу, но и в процессе своей профессиональной деятельности при нарушении условий труда  и техники безопасности. Как уже  было сказано, в малых количествах  даже самые страшные яды могут  быть полезны человеку и потому применяются  в медицине. Яды также используют для борьбы с грызунами, для протравы семян и т.д. Полностью отказаться от ядов пока человек не может. Поэтому полезно знать их опасность, симптомы отравления и меры первой помощи. 

Мышьяк попадает в организм чаще всего не в элементной форме, а в виде соединений. Хроническое  отравление (при поступлении в  организм в малых дозах, но в течение  длительного времени) проявляется  в раздражении слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. Кроме того, появляется непроходящий насморк, кашель, конъюнктивит, кровохарканье, а в более тяжелых случаях присоединяются симптомы поражения центральной нервной системы. Соединения мышьяка оказывают раздражающее действие на кожу. При длительных действиях они могут вызвать образование злокачественных опухолей. 

При остром отравлении, т.е. при попадании в желудок  в большой дозе, появляется металлический  привкус во рту, наблюдается затруднение  глотания, вызывается рвота и проявляются  сильные боли в животе с последующим  поносом. При очень сильных отравлениях  может развиться паралитическая форма – судороги различных мышц, потеря сознания, паралич сосудодвигательного  и дыхательного центров. 

Все эти симптомы вызваны тем, что соединения мышьяка  являются сильными капилляротоксическими ядами. Они вызывают увеличение проницаемости сосудистых стенок и паралич капилляров. Кроме того, при отравлениях мышьяком нарушаются обмен веществ и функция центральной и периферической нервной системы. 

При оказании помощи в случаях отравления соединениями мышьяка проводят промывание желудка  теплой водой и взвесью в воде оксида магния (магнезии), вводят антидоты (см. далее), немедленно и обязательно госпитализируют. 

Следует отметить, что  понос – частая реакция организма  на отравление. С древних времен при отравлениях широко использовали лекарства, вызывающие рвоту, понос, усиленное  мочеотделение, потоотделение, слюновыделение. Этими путями стремились вывести из организма ядовитые вещества. 

Следует также отметить, что непосредственный контакт соединений мышьяка с тканями, в частности As2O3, приводит к их гибели без предшествующего  раздражения. Иными словами, гибель тканей протекает почти безболезненно. Это свойство соединений мышьяка  и, в частности Аs2O3, используют в  стоматологической практике для  удаления нейронов (нервной ткани). Для этого на обнаженную пульпу зуба (ткань, содержащую нервы, кровеносные  и лимфатические сосуды) наносят  кусочек пасты величиной с  булавочную головку. Содержащийся в  ней Аs2O3 диффундирует в пульпу и  через 24...48 ч нерв погибает. 

Соединения селена также ядовиты и по этим свойствам  напоминают соединения мышьяка. Неспроста  в периодической системе Д.И. Менделеева эти два элемента находятся рядом. 

Ртуть – при комнатных  температурах легкоподвижная жидкость. Для металлов она относительно легко  испаряется, а пары ртути чрезвычайно  ядовиты. Поскольку ртуть содержится в медицинских термометрах, то с  нею человек может столкнуться  в домашних условиях. Разбитый термометр  и вылившаяся, но не собранная ртуть  может представить опасность  для здоровья человека. Характерными признаками ртутного отравления является слюнотечение, своеобразное покраснение  десен и размягчение зубов. Появляется тяжелое нервное расстройство: головная боль, нарушение пищеварения, дрожание рук и головы. При слабом отравлении появляется вялость, бессонница, ослабление памяти. 

Восприимчивость к  отравлению ртутью различных людей  может весьма сильно отличаться. Некоторые  люди испытывают симптомы отравления даже от металлических зубных пломб, состоящих из амальгамированной  меди. 

Некоторые соединения ртути также чрезвычайно ядовиты. Известно, что ионы ртути (II) способны прочно соединяться с белками. Ядовитое действие хлорида ртути (II) HgCl2 (сулемы) проявляется прежде всего в некрозе (омертвлении) почек и слизистой оболочки кишечника. В результате ртутного отравления почки теряют способность выделять из крови продукты жизнедеятельности организма. 

Интересно, что хлорид ртути (I) Hg2Cl2 (древнее название каломель) безвреден для организма человека. Вероятно, это объясняется чрезвычайно  низкой растворимостью соли, в результате чего ионы ртути не попадают в заметных количествах в организм. 

При хроническом  отравлении ртутью и ее соединениями проявляются нервные нарушения, бывает повышенная психическая возбудимость, вегетативные сдвиги, проявляющиеся  в непроизвольном движении мышц лица с его покраснением. Отравление проявляется  в потливости и красном дермографизме (при слабом нанесении штриха на коже появляется красная полоса). При  хроническом отравлении появляется так называемый ртутный тремор –  вначале мелкое дрожание пальцев  рук, затем резкое усиление, дрожание всего тела, непроизвольные движения. 

При остром отравлении появляется повышение температуры, озноб, воспаление дыхательных путей  и легких; наблюдается слюнотечение, набухание и слюноточивость десен. Все это сопровождается потерей аппетита, тошнотой, рвотой, болями в животе, кровянистым поносом, головными болями, расстройством речи, изменением походки. 

Лечение при отравлении ртутью включает покой, прием антидотов  и витаминов. Рекомендуют принимать  яичный белок и молоко. Содержащиеся в этих продуктах белки связывают  ртуть, локализуют ее в полости желудка, а затем выводят из организма.