Биологическая роль и применение в медицине

Железо является очень важным микроэлементом. Его биологическая роль изучена достаточно полно. Железо, содержащееся в организме человека, делится на клеточное и внеклеточное. Клеточное железо входит в состав различных классов металлорганических соединений, обладающих характерными только для них функциональной активностью и биологической ролью для организма. В свою очередь эти соединения можно подразделить на четыре группы:

• • гемопротеины, основным структурным элементом которых является гем (гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза и пероксидаза);
• • железосодержащие ферменты негеминовой группы (сукцинатдегидрогеназа, ацетил-коэнзим А-дегидрогеназа, НАДН-цитохром С-редуктаза и др.);
• • ферритин и гемосидерин внутренних органов;
• • железо, рыхло связанное с белками и другими органическими веществами.

К группе внеклеточных соединений железа относятся железо-связывающие белки трансферрин и лактоферрин, содержащиеся во внеклеточных жидкостях. Гемоглобин_у содержащийся в эритроцитах, выполняет важную для организма газотранспортную функцию — переносит экзогенный кислород и эндогенный углекислый газ. Эритроцит по отношению к гемоглобину играет роль буферной системы, способной регулировать общую величину газотранспортной функции. Нормальный эритроцит содержит приблизительно 30 мг гемоглобина, в котором находится 0,34% железа.

Миоглобин — дыхательный белок сердечной и скелетной мускулатуры. Он состоит из единственной полииептидной цепочки, содержащей 153 аминокислоты и соединенной с гемпростетической группой. Основными функциями миоглобина являются транспортировка кислорода через клетку и регуляция его содержания в мышце для осуществления сложных биохимических процессов, лежащих в основе клеточного дыхания. Он содержит 0,34% железа. Миоглобин депонирует кислород во время сокращения мышц, а при их поражении он может попадать в кровь и выделяться с мочой. Железосодержащие ферменты и негеминовое железо клетки находятся главным образом в митохондриях. Наиболее изученными и важными для организма ферментами являются цитохромы, каталаза и пероксидаза.

Цитохромы делятся на четыре группы в зависимости от строения геминовой группы:

• 1) с гем-группой, соединяющей формилпорфин;
• 2) с протогем-груиной;
• 3) с замещенной мезогем-группой;
• 4) с гем-группой, соединяющей дегидронорфин.

Основная биологическая роль большинства цитохромов — участие в переносе электронов, лежащем в основе процессов терминального окисления в тканях. Дефицит железа (или повышенная в нем потребность) может привести к гипохромной анемии, основой развития которой является недостаточная продукция гемоглобина эритробластами костного мозга.

Препараты железа применяют при железодефицитной гипохромной анемии.

Сульфат железа (FeS0₄-7H₂0) — двухвалентное ионизированное железо, хорошо всасывается в желудочно-кишечный тракт. Часто применяется в комбинации с аскорбиновой кислотой — ферроплекс либо в других комбинированных препаратах: фенюльс, тардиферон, ферро-градуме (сульфат железа закисного) и др.

Кобальт относится к группе микроэлементов и является жизненно необходимым для функционирования живых организмов. Биологическая роль кобальта хорошо изучена. В крови человека содержание кобальта составляет в среднем 0,238 мг/кг, в эритроцитах его количество варьирует от 0,059 до 0,13, а в сыворотке — от 0,0055 до 0,40 мг/кг. В органах животных наибольшая концентрация кобальта приходится на печень (0,076—0,201 мг/кг), далее по содержанию идут почки, поджелудочная железа, селезенка. Основная биологическая роль кобальта определяется его присутствием в молекуле витамина В₁₂, в которой его массовая доля составляет 4%. Кобальт необходим для нормального кроветворения, функционирования нервной системы и печени, ферментативных реакций. У человека и животных он является коферментом ряда жизненно важных ферментов — рибонуклеозидтрифосфатредуктазы, метилтрансферазы, метилмалонил-СоА-мутазы. Недостаток витамина В₁₂ приводит к злокачественной (пернициозной) анемии у человека. Также кобальт обнаружен в составе активного центра ряда ферментов: метилмалонил-СоА-карбоксилтрансфераза, пропионил-СоАкарбоксилаза. Кобальт может выступать в качестве кофермента также в составе некоторых пирофосфатаз, пептидаз, аргиназы. Есть сведения о том, что кобальт может влиять на активность аденилатциклазы, на ферменты метаболизма гема. Хорошо изучена токсичность кобальта, однако молекулярные механизмы его токсичности до конца не идентифицированы. Кобальт генотоксичен, способен индуцировать окислительный стресс, апоптоз. В медицине применяется в лечении радиоактивным излучением злокачественных опухолей. В настоящее время для облучения тканей, пораженных раком, применяется радиоактивный изотоп кобальта ⁶⁰Со, который дает самое однородное излучение. Изотопы кобальта также используются для стерилизации медицинского оборудования и материалов.

Для лечения резистентных к препаратам железа анемий применяется комплексное соединение кобальта и амида никотиновой кислоты. Такой способ предложен для лечения больных с гипохромной анемией, а также анемии Аддисона — Бирмера.

Никель является условно-эссенциальным микроэлементом. Его содержание в организме взрослого человека составляет 600—800 мкг. В основном никель содержится в костях, легких, печени, поджелудочной железе, почках и гипофизе. Биологическая роль никеля полностью не изучена. Известно, что он принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. Есть предположения, что никель принимает участие в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов — ДНК, РНК и белка, а также присутствует в гормональной регуляции организма. По своему влиянию на кроветворение никель близок к кобальту. Никель в сочетании с кобальтом, железом, медью участвует в процессах кроветворения, а самостоятельно — в обмене жиров, обеспечении клеток кислородом. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Он может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление. Есть данные, что под влиянием никеля в организме вдвое возрастает выведение кортикостероидов с мочой, усиливается антидиурегическое действие экстракта гипофиза. По результатам наблюдений токсический эффект элемента сопровождается снижением активности ряда металлоферментов, нарушением синтеза белка, РНК и ДНК, развитием выраженных повреждений во многих органах и тканях животных организмов. Экспериментально также установлена эмбриотоксичность никеля.

В медицине никель применяется при изготовлении имплантатов.

Рутений. В настоящее время биологическая роль рутения изучена плохо. Однако данный элемент способен присоединять к себе и выводить нитрогруппы, нередко являющиеся причиной повышенного давления, септического шока, диабета, артрита, некоторых видов воспалений и эпилепсии.

Описаны случаи, когда соединения рутения используют для лечения кожных заболеваний и рака.

Родий не играет важной биологической роли. Соединения родия являются высокотоксичными и канцерогенными веществами.

Палладий используется для получения цитостатических препаратов в виде комплексных соединений. Этот металл убивает и замедляет рост раковых клеток не хуже платины, но почти в десять раз менее токсичен. Противоопухолевые препараты на основе палладия проходят последние клинические испытания и вскоре могут оказаться на вооружении врачей-онкологов. Важное назначение палладия и его сплавов — изготовление медицинского инструментария, деталей кардиостимуляторов и зубных протезов.

Значительной биологической роли осмий не играет, однако вред человеку принести может. Осмий классифицируется как один из самых токсичных элементов. Биологическая роль данного элемента не выявлена.