Микроэлементы в медицине

Все минеральные элементы делят на три группы в соответствии с их содержанием в организме: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Микроэлементы (Trace elements-«следовые элементы») — это группа химических элементов, которые содержаться в тканях человека и животных в очень маленьких количествах, в пределах 10^-3-10^-6 %. Микроэлементыэто не случайные составляющие тканей и жидкостей живых организмов, а компоненты закономерно существующей очень древней и сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организмов на всех стадиях развития.

В настоящее время выделены две группы микроэлементов. Во-первых, это эссенциальные микроэлементы, являющиеся незаменимыми нутриентами. К ним относятся: Cu, Zn, Cr, Se, Mo, J, Co. Кроме этих, еще восемь элементов относятся к условно эссенциальным: As, B, F, Li, Ni, Si, V. Элемент считается эссенциальным, если при его отсутствии или недостаточном поступлении организм перестает расти и развивать, не может осуществить свой биологический цикл, в частности, не способен к репродукции.

Введение

недостающего элемента устраняет признаки его дефицита и возвращает организму его жизнеспособность.

Вторую значительную группу составляют токсичные микроэлементы. Если при гипомикроэлементозахзаболеваниях, вызываемых дефицитом эссенциальных микроэлементов, возникают болезни недостаточности, то при самых разнообразных формах контакта организмов с токсичными микроэлементами возникает синдром интоксикаций-токсикопатий. Скальный А. В. Микроэлементозы человека: гигиеническая диагностика. -Москва: АНО «Центр биотической медицины», 2000, стр. 3.

Из этого следует, что при приеме препаратов минералов и микроэлементов очень важно знать суточную потребность человека в них, а также взаимодействие основных элементов при их одновременном потреблении и усвояемость каждого из них в желудочно-кишечном тракте. (табл. 1).

Таблица 1. Усваиваемость элементов в желудочно-кишечном тракте

Для того чтобы в дальнейшем раскрывать функциональную составляющую микроэлементного анализа, необходимо рассмотреть несколько элементов с точки зрения их местоположения и воздействия на живой организм.

Кобальт (Co^-2) — комплексообразователь (d²sp³), связан с пентадентатным лигандом и группой CNцианкобаламин (витамин B12, рисунок 1). Ковалентная связь кобальт-углерод в структуре цианкобаламинаединственный в живой природе пример ковалентной связи металл-углерод. В 1926;м году американские врачи Джордж Мино и Уильям Мэрфи обнаружили, что включение в состав питания больших количеств полусырой печени оказывает лечебное воздействие при злокачественной анемии. В 1934 году два гарвардских врача, Джордж Майкот и Уильям Парри Мёрфи, получили Нобелевскую премию за открытие лечебных свойств цианокобаламина. В 1948 году Э. Лестер Смит (Англия), а также Эдвард Рикес и Карл Фолкерс из Соединенных Штатов Америки получили витамин В12 в кристаллическом виде. За расшифровку его структуры в 1955 году Дороти Ходжкину была присуждена нобелевская премия.

Витамин В12 единственный водорастворимый витамин, который в организме человека и животных синтезируется микрофлорой кишечника, откуда поступает в органы, накапливаясь в наибольших количествах в почках, печени, стенке кишечника и селезенке. Синтезом в кишечнике потребность организма в цианокобаламине полностью не обеспечивается; дополнительные количества его поступают с продуктами животного происхождения.

Рисунок 1. Цианокобаламин.

Витамин В12 — это единственное из питательных веществ, которое содержит необходимый для человека микроэлемент кобальт. Цианокобаламин играет огромную роль в организме: необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов, регулирует функцию кроветворных органов, обладает выраженными липотропными свойствами, предупреждает жировую инфильтрацию печени, повышает активность окислительного фермента сукцинатдегидрогеназы, увеличивает потребление кислорода клетками при острой и хронической гипоксии, удаляет из организма фактор риска сердечных заболеваний — гомоцистеин — аминокислоту, повышенное содержание которой в крови приводит к инсультам и инфарктам миокарда, совместно с витамином, А участвует в клеточном делении, присущем всем живым клеткам. Без него невозможен синтез тканей нашего тела, обеспечивает вступление каротинов в обмен веществ и превращение их в активный витамин А, играет огромную роль в снижении содержания холестерина в крови, уменьшает симптомы старческого слабоумия и спутанности мышления, во взаимодействии с другими веществами приводит в действие основной жизненный процесс — синтез рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот. А они являются белковыми веществами, из которых состоят клеточные ядра и которые содержат всю наследственную информацию, участвует в выработке мелатонина — гормона, ответственного за перестройку ритма наших биологических часов, восстанавливает способность иммунной системы противостоять бактериям, облегчает боль, связанную с повреждением нервов при диабетической невропатии, помогает исправить пониженное кровяное давление, является основным питательным веществом, необходимым для здоровья репродуктивных органов у мужчин и женщин, увеличивает содержания сперматозоидов в семенной жидкости, поддерживает здоровье нервной системы, необходим для превращения пропионовой и метилмалоновой кислот в янтарную, которая входит в состав липидной части миелина, совместно с витамином С, фолиевой и пантотеновой кислотами.

Цинк (Zn⁺²) — комплексообразователь, sp³-гибридизация, тетраэдр. Биологическая роль цинка была установлена, когда Дж. Раулин в 1869 году показал, что данный элемент необходим для Aspergillus niger (вид высших плесневых грибов из рода Аспергилл). В дальнейшем это положение было подтверждено для растений и животных. Принципиальное значение цинка было выявлено Д. Кейлином в 1940 году. Он установил, что цинк является составной частью карбонатдегидратазы (карбоангидразы, рисунок 2)-это фермент, катализирующий обратимую реакцию гидратации диоксида углерода (CO₂ + H₂O — H₂CO₃ — H⁺ + HCO₃). Этот фермент содержится в эритроцитах, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников, почках, поджелудочной железе и других органах. Роль карбонатдегидратазы в организме связана с поддержанием кислотно-щелочного равновесия, транспортом СО₂, образованием соляной кислоты слизистой оболочкой желудка. Активность в крови в норме довольно постоянна, но при некоторых патологических состояниях она резко меняется. Повышение активности в крови отмечается при анемиях различного генеза, нарушениях кровообращения, некоторых заболеваниях легких, а также при беременности. Снижение активности этого фермента в крови происходит при ацидозе почечного генеза, гипертиреозе.

Рисунок 2 Хелатированный цинк (П) в активном центре карбоангидразы.

Молимбден (Mo⁺⁵) — кофактор ферментов, обеспечивающих метаболизм аминкислот, пуринов, пиримидинов. Он образует кислородсодержащие (Mo-O-Mo), серосодержащие (Mo-S-Mo) мостики. В комплексах образуется ковалентная связь с другими металлами. Нитрогеназа содержит в активном центре ионы Fe⁺² и Mo⁺⁵ одновременно. В биокомплексах катионы молибдена связаны с группамиCOOH, -OH, -SН, встречается и в оксоформе Mo=O. Впервые внимание на молибден было обращено в связи с его токсическим действием на организм сельскохозяйственных животных. Первые исследования молибденоза позволили предположить эффективное средство его предупреждения-подачу животным сульфата меди. Таким образом, с самого начала был обнаружен физиологический антагонизм этих двух металлов. Выяснение роли молибдена в обмене веществ животного организма связано с открытием трех молибденсодержащих ферментов-ксантинооксидазы, альдегидоксидазы, сульфитоксидазы.

Ксантиноксидаза — молибден-содержащая оксидоредуктаза, это высокомолекулярный димерный белок. Каждый мономер включает в себя 2 флавина в виде ФАД, 2 атома молибдена в виде молибдено-птерина и 8 атомов железа в составе железо-серных кластеров фермент. Ксантиноксидаза катализирует окисление гипоксантина в ксантин и ксантина в мочевую кислоту: гипоксантин + O₂ + H₂O — ксантин + H₂O₂, ксантин + O₂ + H₂O — мочевая кислота + H₂O₂

Рисунок 3. Ксантиндегидрогеназа.

Альдегидоксидазыцитозольный фермент (рисунок 4). Подобно ксантиоксидазе альдегидоксидаза в процессе каталитического акта генерирует активные формы кислорода, участвующие в реакциях с ацетальдегидом и образующие при этом соответствующие радикалы. Экспрессируется альдегидоксидаза в различных органах и тканях животных и человека. Особенно высоки уровни активностей этого фермента в печени, легких и селезенке травоядных млекопитающих. В организме человека ее распространение несколько ограничено и включает, практически, только печень, а следовые количества наблюдаются в почках и сердечной мышце.

Рисунок 4. Альдегидоксидаза.

Сульфитоксидазыфермент, превращающий сульфит в сульфат, является строго специфичным к своему субстрату. Фермент присутствует преимущественно в печени, где он локализуется в межмембранном пространстве митохондрий. Его физиологическим акцептором электронов является митохондриальиый цитохром С. Сульфитоксидаза выделена из печени человека, крупного рогатого скота, кроликов и крыс. Она представляет собой димер, образованный двумя идентичными субъединицами с молекулярной массой 55 000 — 60 000, из которых каждая содержит по одному атому молибдена и одной молекуле цитохрома.

Рисунок 5. Сульфитоксидаза.

Молибден в организме содержатся ориентировочно в количестве 9 г, из которых 56% приходится на кости, 22% на печень и 22% на кровь. В литературе уже давно обсуждается вопрос о возможной связи избытка молибдена и возникновением подагры. Предполагается, что повышенный синтез ксантиноксидазы и интенсификация пуринового обмена ведут к накоплению избыточных количеств мочевой кислоты, с выделением которых не справляются почки. В результате чего мочевая кислота и ее соли откладываются в сухожилиях и суставах. Молибден принимает участие также в метаболизме жиров и углеводов, в качестве антиоксиданта способствует нормальной работе мужской половой функции, активизирует работу антиокислителей, включая витамин С, является важным компонентом системы тканевого дыхания, активирует выработку аминокислот, способствует накоплению азота., также содействует утилизации железа, являясь важной частью фермента, помогает устранить последствия отравления сульфитами и алкоголем.

Медь (Cu⁺²) — комплексообразователь, dsp²-гибридизация, конфигурация-плоский квадрат, координационное число-4. Один из важнейших незаменимых микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности человека. Половина количества меди в организме содержится в мышцах и костях, тканях печени, мозге. Небольшие количества этого элемента находятся в легких, кишечнике, селезенке, коже и волосах, эндокринных железах. В крови в среднем содержится около 100 мкг меди, причем в эритроцитах-60 мкг. Значительная часть меди плазмы крови находится в церулоплазмине-важнейшем мудьсодержащем белке. Медь найдена в супероксиддисмутазе эритроцитов и лейкоцитов. Шапошников А. М. Большая Медицинская Энциклопедия, 3-е изд.: М., 1980.

Медь участвует в биохимических процессах как составная часть электронпереносящих белков, осуществляющих реакции окисления органических субстратов молекулярным кислородом. Этой ролью она обязана своим особым свойством как переходного металла. Имя два обычных валентных состояния, она в зависимости от природы расположения лигандов позволяет медьсодержащим белкам охватывать широкий интервал окислительно-восстановительных потенциалов, а также обратимо связывать кислород и окись углерода. Каталитические центры медьпротеинов могут быть одноядерными и двуядерными. Многие белки содержат по одному такому центру. Например, в галактозооксидазе присутствует одиночный одноядерный медный центр, а в тирозиназе-двуядерный. Ряд белков содержит четыре и более ионов меди, входящих в состав центров обоих типов.

Медьсодержащие аминоксидазы с одноядерным центром катализируют общую реакцию R¹CH₂NR₂ + O₂ + H₂O = R¹CHO + HNR₂ + H₂O₂. Они широко распространены в природе. В связи с тем, что аминоксидазы животных принимают участие в катаболизме и инактивации многих физиологически активных аминов, таких как гистами, адреналин, тирамин, путресцин, спермин, они подвергались разностороннему интенсивному изучению. К аминоксидазам относят цитохром-оксидазу (рисунок 7), церулоплазмин (рисунок 6).

Рисунок 6.Церулоплазмин.

Рисунок 7. Цитохром-оксидаза.

Медь требуется для фермента, который отвечает за выработку эластина, коллагена, соединительных белковых тканей.

Супероксиддисмутаза (рисунок 8) — антиоксидант, противовоспалительного фермента, который защищает организм от действия свободных радикалов, способствует повышению устойчивости к яду инфекций, связывая микробные токсины и усиливая воздействия антибиотиков. Медь, обладая противовоспалительным свойством, ослабляет симптомы аутоиммунных заболеваний, к примеру, ревматоидного артрита.

Рисунок 8. Супероксиддисмутаза.

Также медь требуется для фермента гистаминазы, управляющего метаболизмом гистамина; меланина, участвующего в продуцировании натурального пигмента волос и кожи; для синтеза фосфолипидов, находящихся в клеточных мембранах; участвует в расщеплении жиров, углеводов, в синтезе простагландина и способствует нормальной работе и активизации инсулина; принимает участие в производстве эритроцитов (медь достает железо из резервов, содействует его усвоению и выработке гемоглобина. Также медь участвует в доставке кислорода к мышцам. Во время интенсивной физической нагрузки повышает скорость кровообращения.); медь укрепляет сопротивляемость организма инфекциям. (во время инфекции или воспаления в организме мобилизуются два фермента, содержащие медь — церулоплазмин и супероксиддисмутаза.).

Марганец (Mn⁺²) — концентрируется в костной ткани в составе нерастворимых фосфатов и комплексах с белками. В других органах — вмитохондриях является комплексообразователем (MnАТФ^2- замещает ион магния). В гипофизе [ Mn (H₂O)5]²⁺. В норме в организме мужчины массой 70 кг имеется 10−20 мг марганца. В норме в костях, особенно трубчатых, а также в печени и почках находятся более высокие концентрации марганца. Уровень его в сыворотке крови повышен при заболеваниях сердца, инфекциях и некоторых психозах. Марганец имеет жизненно важное значение для функции мозга. Наиболее высока его концентрация в эпифизе, обонятельных луковицах, срединном возвышении гипоталамуса и в базальных ганглиях. Он аккумулируется преимущественно в меланинсодержащих структурах центральной нервной системы. Характерно высокое содержание марганца в клетках органов, богатых митохондриями. Дефицит его ведет к селективному поражению этих органелл, они удлиняются, нарушается правильная ориентация крист. Также марганец входит в состав многих металлоферментов и кофакторов. Он необходим для формирования костной ткани, синтеза белков, молекул АТФ и регуляции клеточного метаболизма. Кроме того, марганец выступает в роли кофактора одной из разновидностей супероксиддисмутазы (марганцевой, рисунок 9), нейтрализующей свободные радикалы, и ферментов глюконеогенеза. Снижение экспрессии марганцевой супероксиддисмутазы снижает время заживления ран и ангиогенеза на модели диабета.

Рисунок 9. Марганцевая супероксиддисмутаза.