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 250г натрий 70г магнии 42г железо 5г цинк 3г Остальное приходится на микроэлементы. Если концентрация элемента в организме превышает 102 , то его считают макроэлементом.

Микроэлементы находятся в организме в концентрациях 103-105 . Если концентрация элемента ниже 105 , 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 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 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 СН2СН2С1 2. Однако в разбавленном в 20 000 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 важнуюроль 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 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.

Цианистый калий Цианид калия KCN - соль синильной кислоты HCN. Оба соединения являются быстродействующими и сильными ядами При остром отравлении синильной кислотой и ее солями теряется сознание, наступает паралич дыхания и сердца. На начальной стадии отравления человек испытывает головокружение, ощущение давления во лбу, острую головную боль, учащенное дыхание, сердцебиение.

Первая помощь при отравлении синильной кислотой и ее солями - свежий воздух, кислородное дыхание, тепло. Противоядиями являются нитрит натрия NaNO2 и органические нитросоединения амилнитрит C5H11ONO и пропилнитрит C3H7ONO. Считают, что действие нитрита натрия сводится к превращению гемоглобина в мета-гемоглобин. Последний прочно связывает цианидные ионы в цианметагемоглобин. Этим путем дыхательные ферменты освобождаются от цианидных ионов, что и приводит к восстановлению дыхательной функции клеток и тканей.

В качестве противоядий на синильную кислоту широко используют серосодержащие соединения коллоидную серу, тиосульфат натрия Na2S2O3, тетратионат натрия Na2S4O6, а также серосодержащие органические соединения, в частности, аминокислоты - глутатион, цистеин, цистин. Синильная кислота и ее соли при взаимодействии с серой превращаются в тиоцианаты в соответствии с уравнением HCN S HNCS Тиоцианаты же совершенно безвредны для человеческого организма.

С давних пор при опасности отравления цианидами рекомендовалось держать за щекой кусочек сахара. В 1915г. немецкие химики Рупп и Гольце показали, что глюкоза взаимодействует с синильной кислотой и некоторыми цианидами с образованием нетоксичного соединения циангидрина глюкозы ОН ОН ОН ОН ОН Н ОН OH OН ОН ОН Н СН2-СН-СН-СН-СН-С О HCN СН2-СН-СН-СН-СН-С-ОН CN глюкоза циангидрин глюкозы Свинец и его соединения являются довольно сильными ядами. В организме человека свинец накапливается в костях, печени и почках.

Весьма токсичны соединения химического элемента таллия, который относят к числу редких. Следует указать, что все цветные и особенно тяжелые расположенные в конце периодической системы металлы в количествах выше допустимых ядовиты. Углекислый газ в больших количествах содержится в организме человека и потому не может быть ядовитым. За 1 ч взрослый человек выдыхает примерно 20 л около 40 г этого газа. При физической работе количество выдыхаемого углекислого газа увеличивается до 35 л. Он образуется в результате сгорания в организме углеводов и жиров.

Однако при большом содержании СО2 в воздухе наступает удушье из-за недостатка кислорода. Максимальная продолжительность пребывания человека в помещении с концентрацией СО2 до 20 по объему не должна превышать 2 ч. В Италии имеется получившая широкую известность пещера Собачья пещера, в которой человек стоя может находиться длительное время, а забежавшая туда собака задыхается и гибнет. Дело в том, что примерно до пояса человека пещера заполнена тяжелым по сравнению с азотом и кислородом углекислым газом.

Поскольку голова человека находится в воздушном слое, то он не ощущает никаких неудобств. Собака же при ее росте оказывается в атмосфере углекислого газа и потому задыхается. Врачи и биологи установили, что при окислении в организме углеводов до воды и углекислого газа на одну затраченную молекулу кислорода выделяется одна молекула СО2. Таким образом, отношение выделенного СО2 к поглощенному О2 величина дыхательного коэффициента равна единице. В случае окисления жиров дыхательный коэффициент равен примерно 0,7. Следовательно, определяя величину дыхательного коэффициента, можно судить, какие вещества преимущественно сгорают в организме.

Экспериментально установлено, что при кратковременных, но интенсивных мышечных нагрузках энергия получается за счет окисления углеводов, а при длительных - преимущественно за счет сгорания жиров. Полагают, что переключение организма на окисление жиров связано с истощением резерва углеводов, что обычно наблюдается через 5-20 мин после начала интенсивной мышечной работы.

Антидоты. Антидоты - вещества, устраняющие последствия воздействия ядов на биологические структуры и инакгавирующие яды посредством химической Жёлтая кровяная соль K4 Fe CN 6 образует малорастворимые соединения с ионами многих тяжелых металлов. Это свойство используют на практике для лечения отравлений солями тяжелых металлов. Хорошим антидотом при отравлениях соединениями мышьяка, ртути, свинца, кадмия, никеля, хрома, кобальта и других металлов является унитиол СН2-СН-CH2SO3Na Н2О SH SH Универсальным антидотом является молоко.