Обмен микроэлементов. 
Биохимия для технологов

Железо. В организме взрослого человека содержится 3—4 г железа. В тканях железо используется для синтеза гемовых и негемовых железосодержащих белков или депонируется в ферритине. Источники железа для синтеза этих белков — пищевые продукты и железо, освобождающееся при распаде эритроцитов в клетках печени и селезенки.

Содержание железа в клетках и его использование для синтеза железосодержащих белков регулируется на оперонном уровне при трансляции ферритина и трансферритина.

В пищевых продуктах железо преимущественно находится в связанной с белками или органическими кислотами форме в виде иона Fe³⁺. Под действием НС1 желудка Fe³⁺ освобождается из этих комплексов. При всасывании в кишечнике Fe³~ восстанавливается до Fe²⁺. Этот процесс активируется аскорбиновой кислотой, содержащейся в пище (табл. 14.7).

Таблица 14.7

Поступление железа из кишечника в кровь

Этап		Схема
Восстановление железа при всасывании в кишечнике
				Окисление железа при поступлении из энтероцита в кровь

Обычно количество железа в пище больше потребностей организма. В результате в клетках кишечника избыток железа связывается белком апоферритином, образуя сложный белок ферритин. Ферритин задерживается в энтероцитах, создавая резерв железа.

При высокой востребованности железа в организме синтез апоферритина в энтероцитах снижается. В результате железо не откладывается в клетках кишечника, а сразу поступает в кровь. В кровь может поступать только Fe³⁺. Поэтому происходит его окисление, катализируемое ферментом сыворотки крови ферроксидазой. Далее Fe³⁺ с помощью белка трансферрина разносится кровью к разным тканям или откладывается в печени в составе ферритина, с помощью которого резервируется примерно 27% всего железа в организме [2, 4].

Основное физиологическое значение железа — участие в процессе кроветворения. Недостаток его может привести к развитию анемии — малокровия. При этом снижается содержание гемоглобина и миоглобина. В таких случаях эффективен только прием лечебных препаратов железа, а диета, обогащенная богатыми железом продуктами, не может устранить анемию.

Кроме кроветворной функции железо играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах в составе гемовых и негемовых белков. Гемопротеинами являются каталаза, пероксидаза и цитохромы (см. подпараграф 6.7.1). В негемовых железосодержащих белках, к которым относятся трансферрин, ферритин, железо-серные белки (см. рис. 9.9), ксантиноксидаза и др., железо напрямую связывается с белком.

Таким образом, роль железа проявляется в участии в окислительно-восстановительных реакциях на метаболитном и клеточном уровнях и в реализации процессов кроветворения на уровне организма в целом.

В молоке, так же как и в организме, железо образует Fe³⁺/Fe²⁺ пару и может участвовать в различных окислительно-восстановительных процессах. Значительная часть железа молока связана с лактоферрином и локализована на поверхности белково-лецитиновых оболочек жировых шариков. Поэтому при их разрушении во время различных технологических операций или в производстве масла железо активирует липазу и процессы ПОЛ. Установлено, что железо катализирует распад гидропероксидов с образованием новых радикалов, причем Fe²" сильнее ускоряет реакцию, чем Fe³⁺ [26]:

Нормальный фон железа в молоке и молочных продуктах не вызывает пороков окислительной порчи, но повышенное содержание железа может стать их причиной.

Цинк наиболее доступен из продуктов животного происхождения. В растительных продуктах содержится фитин (гексафосфорный эфир инозита), образующий комплексные соединения с цинком, что снижает его всасывание в кишечнике.

С наличием цинка в организме связаны процессы клеточного дыхания, роста и развития, обмен белков, ПК, липидов и углеводов, энергетический обмен. Цинк является составной частью большой группы ферментов — металлоэнзимов: дегидрогеназ, пептидаз, карбоксипептидазы А, фосфатаз и пр. или влияет на активность многих ферментов. В частности, усиливает каталитическое действие аргиназы, енолазы, лецитиназы, аминопептидаз и др.

Участие цинка в регуляции обмена веществ на уровне организма проявляется в активировании ряда гормонов, таких как адреналин, инсулин, тестостерон, фолликулин, пролан, антидиуретический и гонадотропный гормоны [4]. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что биологическая роль цинка проявляется в различных функциях: структурной, регуляторной, каталитической.

Из всех микроэлементов цинк отличается самым высоким содержанием в молоке. Основная его масса ассоциирована с казеиновыми олигомерами, но при осаждении Са₃(Р0₄)₂ выпадает в осадок в сыворотке [26].

Иод встраивается в структуры гормонов щитовидной железы — Т₄ и Т₃, необходимых для регуляции скорости обмена веществ. Организм взрослого человека содержит около 25 мг иода. Наибольшей концентрацией обладает щитовидная железа. Здесь сосредоточено примерно 10 мг иода.

Поступление и выделение иода из щитовидной железы уравновешены. Почти весь иод, содержащийся в щитовидной железе, накапливается в составе тиреоглобулина. Около 30% тиреоглобулина приходится на гормоны иодтиропины — тироксин (Т₄) и трииодтироиин (Т₃). Остальные 70% иодида в тиреоглобулине — неактивные предшественники этих гормонов.

Концентрация иода в крови поддерживается на уровне 10~⁵—10 ⁶%, но в осенне-зимний период несколько понижается, а в мае-июне достигает наивысшего уровня. Две трети иода крови также находится в виде Т₃ и Т₄, остальной иод связан с белками, в основном с альбуминами. Концентрация свободного иодида в слюне, желудочном соке и молоке может быть в 14—48 раз более высокой, чем в плазме крови, но эти жидкости не могут создавать запас иода, образовывать иодтиронин или проявлять ответную реакцию на тиреотропный гормон^[1].

Недостаточное содержание иода в окружающей среде (воде и почве) и распространенных продуктах питания служат причиной иоддефицитных заболеваний (ИДЗ). Эта проблема актуальна более чем в 100 странах мирового сообщества. В России ряд регионов также являются иоддефицитными, в связи с чем уровень заболеваний щитовидной железы в них выше среднего. По заключению ВОЗ, наиболее эффективным методом борьбы с ИДЗ являются профилактические меры, включающие создание продуктов питания с заданным химическим составом и свойствами или в обогащении иодом наиболее распространенных пищевых продуктов: соли, хлеба, воды, молока. Например, разработан запатентованный способ получения биологически активного казеина — иодказеина, благодаря ковалентному присоединению иода к одному из остатков аминокислоты Тир. Прочность образованной связи обеспечивает устойчивость иодказеина к температурным воздействиям и в храпении. Попадая в организм, иод отщепляется от белка, выполняя свою физиологическую роль^[2].

Медь. Общее количество меди в организме человека составляет примерно 100—150 мг. Интенсивность всасывания зависит от вида продуктов. Соли меди с аминокислотами и жирными кислотами всасываются лучше, чем соли минеральных кислот. Транспортируется медь белками крови, в основном альбуминами. Депонируется в печени, оттуда поступает в другие органы и ткани.

Избыток меди выделяется с желчью через кишечник, а также ночками, кожей, слизистыми оболочками дыхательного аппарата.

Преимущественное большинство общего количества меди сыворотки крови — до 98% находится в составе церулоплазмина — медьсодержащего гликопротеина [2]. Церулоплазмин, известный иначе как ферроксидаза, окисляет поступающее в кровь железо из Fe^2t в Fe³⁺ (см. табл. 14.7).

Таким образом, медь в составе церулоплазмина участвует в кроветворении и необходима для процессов образования гемоглобина и не может быть заменена другими элементами. Именно участием меди в процессах кроветворения объясняется резкое повышение ее уровня в организме при беременности.

Доказано участие меди и в ряде других окислительно-восстановительных процессов. Например, церулоплазмин обладает слабой каталитической активностью, окисляя полиамины, полифенолы и аскорбиновую кислоту. Катион Си² есть в составе окислительно-восстановительного фермента цитохромоксидазы, которая непосредственно активирует кислород. Медь обнаружена в составе некоторых амыпооксидаз. Снижение активности этих ферментов в тканях может приводить к дефектам эластина, соединительной ткани сосудов и синтеза скелетного коллагена.

В молоке большая часть меди связана с жировыми шариками, около трети меди ассоциировано с казеином и некоторое количество — с сывороточными белками.

В молоке и молочных продуктах медь обладает прооксидантными свойствами, способствуя образованию свободных радикалов:

Причем действие меди в этом плане более сильное, чем железа. Процессы окисления с участием меди активируются при увеличении ее содержания в молоке или продуктах выше естественного уровня. Поэтому обычно стараются избегать контактов молока-сырья или продуктов с посудой или оборудованием, содержащим медь.

Однако традиционный способ производства эмментальского сыра связан с использованием медных котлов. В этом случае ионы меди как ингибиторы тормозят действие липазы, протеиназ и замедляют молочнокислое брожение, а также задерживают на некоторое время пропионовокислое брожение [26].

Марганец. Содержание марганца в организме составляет около 20 мг. Он необходим для ферментативного катализа и в роли активатора, и в составе небелковой части.

Как активатор усиливает действие глюкокиназы, гексокиназы, фосфатазы, аденилилциклазы, глутаминсинтетазы, катехол-0-метилтрансферазы, PH К-полимеразы и др. Эти ферменты включаются в метаболизм аминокислот, углеводов, катехоламинов.

Марганец является составной частью некоторых металлоэнзимов, таких как аргиназа, глутамилтрансфераза, дипептидазы, изоцитратдегидрогеназа, декарбоксилаза и др. Входит в состав митохондриальной супероксиддисмутазы, пируваткарбоксилазы, аргиназы. Необходим для синтеза холестерина и нуклеотидов. Участвует в синтезе гликопротеинов, протеогликанов, ганглиозидов, тем самым способствует образованию костной и соединительной ткани.

Регуляторное действие марганца проявляется на уровне гормонов передней доли гипофиза, андрогенов и инсулина. Поэтому недостаточное потребление сопровождается замедлением роста, нарушениями в репродуктивной системе, повышенной хрупкостью костной ткани, нарушениями углеводного и липидного обмена. В целом Мп усиливает процессы роста, кроветворения, биосинтез нуклеиновых кислот, белков, холестерина, антител^[3].

Селен. В организме содержится в среднем 3,5 • 10 ⁶—3,5 • 10 ⁵% селена по отношению к общей массе. Большая часть селена — 90% — поступает с продуктами и 10% — с водой. Наибольшим усвоением отличается селен органических соединений, который превращается в организме в биологически активную форму. Поэтому с белками продуктов селен всасывается легче, чем с неорганическими соединениями.

В крови селен находится в виде свободных ионов и в составе соединений с белками, пептидами и аминокислотами. Биохимические функции селена определяют селенсодержащие белки. Известно более 10 селенсодержащих белков с атомом селена в активном центре, которые участвует в дезактивации тяжелых металлов, метаболизме гормонов щитовидной железы, в окислительно-востановительных реакциях (табл. 14.8).

При дефиците селена общий уровень селенсодержащих белков снижен, поэтому включение микроэлемента осуществляется в первую очередь в наиболее важные белки и ткани — репродуктивные и эндокринные органы, мозг.

Примеры селенсодержащих белков.

Хром. В организме человека содержится от 6 до 12 мг хрома. Установлено, что усвояемость хрома в желудочно-кишечном канале в виде комплексных соединений (пиколинаты, аспарагинаты) в десятки раз выше, чем из неорганических соединений. Шестивалентный хром усваивается в 3—5 раз лучше, чем трехвалентный. Однако только трехвалентный хром проявляет биологическую активность и присутствует в продуктах питания. И в тканях окисления трехвалентного хрома в шестивалентныи не происходит.

Биологическая роль хрома связана с усилением действия инсулина. Ион Crⁱ⁺ в составе низкомолекулярного комплекса облегчает взаимодействие инсулина с клеточными рецепторами. В результате потребность организма в инсулине уменьшается.

Дефицит хрома в организме может не только способствовать повышению уровня глюкозы в крови, но и приводить к увеличению концентрации холестерина в крови и в конечном итоге к атеросклерозу.

К снижению запасов хрома в организме может привести нарушение баланса основных макронутриентов и калорийности рациона. Например, значительные количества сахара, потребляемые человеком, увеличивают потребность в хроме.

Молибден. В организме взрослого человека содержится всего около 9 мг молибдена. Молибден хорошо всасывается как из продуктов питания, так и из большинства своих неорганических соединений.

Активной биологической формой элемента является молибденовый кофермент, который входит в состав ферментов алъдегидоксидазы, ксантин— оксидазы и сульфитоксидазы.

Со способностью альдегидоксидазы катализировать окисление в организме канцерогенных ксенобиотиков связывают предполагаемую антираковую активность молибдена^[3].

Ксантиноксидаза катализирует завершающую стадию обмена пуринов в организме человека и животных — образование мочевой кислоты.

Сульфитоксидаза участвует в метаболизме серосодержащих аминокислот — цистеина и метионина и превращает сульфит в сульфат.

Избыток молибдена вызывает повышенную активность ксантинокидазы, интенсификацию пуринового обмена и увеличение уровня мочевой кислоты, с выделением которой не справляются почки. В результате мочевая кислота и ее соли откладываются в сухожилиях и суставах, что приводит к возникновению подагры [10].

В молоке практически весь молибден связан с ксантиноксидазой.

Кобальт. В организме около 1 г кобальта. Кобальт занимает особое место среди микроэлементов, поскольку физиологически активен в организме человека только в форме витамина В₁₂.

Дефицита свободного кобальта не бывает, и он не заменяет готовый витамин В₁₂. Любой обычный рацион содержит гораздо больше кобальта, чем доля этого элемента в виде витамина В₁₂, и никакого обязательного соответствия между содержанием в рационе кобальта и витамина В₁₂ не существует. Дефицит витамина В₁₂ может быть не связан с нехваткой кобальта в продуктах, а обусловлен другими причинами. К ним относят серьезные нарушения питания (строгое вегетарианство), заболевания системы пищеварения (нарушение синтеза белков, связывающих и транспортирующих витамин В₁₉), введение в организм веществ (например, антибиотиков), блокирующих развитие нормальной микрофлоры толстой кишки^[3].

Кремний. Общее содержание диоксида кремния (Si0₂ — кремнезем) в теле человека — около 0,001%, среднее содержание Si0₂ в крови человека составляет от 5,9 до 10,6 мг в 1 мл. В организме человека кремний обнаружен во всех органах и тканях: в легких, в волосах, гладких мышцах желудка, в надпочечниках, в фибрине, в цельной крови.

Среднее потребление кремния составляет 20—50 мг/сутки.

Кремний входит в качестве структурного компонента в состав гликозоаминогликанов и стимулирует синтез коллагена. Диоксид кремния необходим для прочности и эластичности эпителиальных и соединителыю-тканных образований. Эластичность кожи, сухожилий, стенок сосудов обусловлена в значительной степени содержащимся в них кремнием. Кремний играет роль в сохранении кожей нормального тургора, что связано со способностью коллоидов, содержащих кремнезем, к набуханию.

В виде кремнезема кремний содержится во всех растениях. Они поглощают кремний из почвы и из него строят прочную основу для своих клеток: твердость, эластичность и прочность стеблей растений зависят от содержания в них кремнезема. Кремний в виде кремнезема содержится в организме морских животных, пресноводных рыб, птиц и млекопитающих. Кремний содержится постоянно в курином яйце. Поэтому источником кремния могут служить продукты как растительного, так и животного происхождения.

Кремнезем токсически действует на организм человека, только будучи превращен в тончайшую пыль, попадающую в легкие при вдыхании. Недостаток кремния встречается достаточно редко. При его недостатке могут наблюдаться: слабая деятельность лейкоцитов при инфекционном процессе, плохое заживление ран, снижение аппетита, кожный зуд, снижение эластичности тканей, снижение тургора кожи, повышение проницаемости сосудов и как следствие — геморрагические проявления.

Фтор. С питьевой водой фтора поступает в 4—6 раз больше, чем с продуктами. Исключение составляет рацион с большим количеством продуктов моря, содержащих фтор.

Почти 99% фтора находится в твердых тканях, из них до 0,02% входит в состав тканей зуба. При этом фтор способствует фиксации кальция в твердых тканях и их минерализации, благодаря образованию комплексных соединений. Вместе с гидроксилапатитом фтор образует фторапатит:

Хотя на долю фторапатита приходится лишь 1/40 часть гидроксилапатита, именно его присутствие придает кислотоустойчивость и прочность зубам и костям.

Оптимальные количества фтора в рационе человека оказывают противокариозное действие, механизм которого заключается в образовании труднорастворимых соединений с минеральными компонентами костной ткани и зубов.

Также фтор является ингибитором адепилилатциклазы и енолазы, что нарушает брожение углеводов в полости рта и уничтожает кариогенные бактерии, стимулирует кроветворение.

Недостаточное потребление приводит к кариесу, преждевременному стиранию эмали зубов. Абсолютная зависимость установлена у детей. Особенно способствует кариесу вода, содержащая менее 0,5 мг/л Е По данным ВОЗ, вода должна содержать 0,7—1,2 мг/л Е Избыточные количества фтора приводят к развитию эндемического флюороза.

• [1] Колесниченко Л. С. Микрои ультрамикроэлсменты: Mn, F, I, Sc, Сг, Мо, Со (лекция 5) //Сибирский медицинский журнал. 2005. Т. 53. № 4. С. 94—99.
• [2] Томчани О. В. Разработка технологий йодказеина и молочных продуктов, обогащенных иодированным белком: автореф. дис… канд. техн. наук. М., 2003. С. 16.
• [3] Колесниченко Л. С. Указ. соч.
• [4] Колесниченко Л. С. Указ. соч.
• [5] Колесниченко Л. С. Указ. соч.