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 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

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.

Использованная литература

1. Краткая химическая энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1961 – 1967. Т. I—V.

2. Советский энциклопедический словарь. – М:: Сов. энциклопедия, 1983.

3. Августиник А.И. Керамика. – Л.: Стройиздат, 1975.

4. Андреев И.Н. Коррозия металлов и их защита. – Казань: Татарское книжное изд-во, 1979.

5. Бетехтин А.Г. Минералогия. – М.: Гос. изд-во геологической литературы, 1950.

6. Бутт Ю.М., Дудеров Г.Н., Матвеев М.А. Общая технология силикатов. – М.: Госстройиздат, 1962.

7. Быстрое Г.П. Технология спичечного производства. – М.–Л.: Гослесбумиздат, 1961.

8. Витт Н. Руководство к свечному производству. – Санкт-Петербург: Типография департамента внешней торговли, 1851.

9. Войтович В.А., Мокеева Л.Н. Биологическая коррозия. – М.: Знание, 1980. № 10.

10. Войцеховская А.Л., Вольфензон И. И. Косметика сегодня. – М.: Химия, 1988.

11. Дудеров И.Г., Матвеева Г.М.,. Суханова В.Б. Общая технология силикатов. – М.: Стройиздат, 1987.

12. Козловский А.Л. Клеи и склеивание. – М.: Знание, 1976.

13. Козмал Ф. Производство бумаги в теории и на практике. – М.: Лесная промышленность, 1964.

14. Кукушкин Ю.Н. Соединения высшего порядка. – Л.: Химия, 1991.

15. Кульский Л.А., Даль В.В. Проблема чистой воды. – Киев: Наукова думка, 1974.

16. Лепешков И.Н., Розен Б.Я. Минеральные дары моря. – М.: Наука, 1972.

17. Лосев К.С. Вода, – Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

18. Лукьянов П.М. Краткая история химической промышленности СССР. — М.: Изд-во АН СССР, 1959.

19. Лялько В.И. Вечно живая вода. – Киев: Наукова дума, 1972.

20. Петербургский А.В. Агрохимия и система удобрений. – М.: Колос, 1967.

21. Теддер Дж., Нехватал А., Джубб А. Промышленная органическая химия. — М.: Мир, 1977.

22. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. – Л.: Химия, 1989.

23. Чалмерс Л. Химические средства в быту и промышленности – Л.: Химия, 1969.

24. Чащин А.М. Химия зеленого золота. — М.: Лесная промышленность, 1987.

25. Энгельгардт Г., Гранич К., Риттер К. Проклейка бумаги. – М.: Лесная промышленность, 1975.