В последние годы важность исследования биоэлементного статуса человека существенно возрастает, что связано с рядом причин. Во-первых, появились современные методы аналитической химии (атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой), которые существенным образом расширили как спектр исследуемых элементов, так и точность их количественного определения. Во-вторых, ухудшение экологии, урбанизация населения, стремительное развитие промышленности создает реальную токсическую нагрузку на организм человека. В-третьих, качество питания современного человека претерпевает существенные изменения не в лучшую сторону и далеко от нормального. В-четвертых, все больше накапливается научных данных об изменениях биоэлементного обмена при различных соматических патологиях.
Организм человека включает практически все элементы, упоминаемые в периодической системе Д.И. Менделеева. Содержание биоэлементов в организме крайне мало, однако, оказываемые ими биологические эффекты трудно переоценить. Несмотря на незначительное общее количество микроэлементов в организме, они не являются случайными примесями, их содержание в биологических тканях подчиняется определенным закономерностям, отступление от которых приводит к ряду заболеваний. Следует отметить, что нарушения метаболизма биоэлементов сопровождаются расстройствами других видов обмена.
Неорганические элементы вовлечены во все жизненные процессы, включая балансировку электрических зарядов, поддержание электролитного гомеостаза и структурирование компонентов всех веществ в метаболизме. Они осуществляют передачу сигналов, поддержание кислотно-щелочного равновесия и катализа, перенос электронов, а также аккумулирование энергии.
С точки зрения бионеорганики любой живой организм отличается от неживой природы тем, что ионы металлов, особенно переходных, содержатся в нем не в свободной форме, а практически полностью связаны биолигандами в хелатные комплексы. Биолигандами являются витамины, аминокислоты, полипептиды, нуклеиновые кислоты и другие метаболиты. В большинстве случаев лекарственные препараты также являются активными биолигандами. В биомедицинском смысле в любом здоровом организме должен соблюдаться металл-лигандный гомеостаз. Избыток или дефицит необходимых металлов приводит к сдвигу равновесия металл-лигандного гомеостаза и, в конечном итоге, к развитию клинически значимых симптомов.
Бионеорганическую химию в настоящее время определяют как область химической науки, связанную с изучением роли металлов и их соединений в биологических процессах в живых организмах и в окружающей среде на молекулярном уровне.
Минеральные вещества наряду с белками, углеводами и витаминами являются жизненно важными компонентами пищи человека, необходимыми для построения химических структур живых тканей и осуществления биохимических и физиологических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма. С минеральными веществами связаны процессы кроветворения и свертывания крови. Кроме того, они входят в состав или активизируют действие ферментов, гормонов, витаминов и, таким образом участвуют во всех видах обмена веществ.
Стабильность химического состава является одним из важнейших и обязательных условий нормального функционирования организма. Количественное содержание некоторых элементов (свинец, кальций, цинк, селен, йод и др.) в организме может значительно варьировать в зависимости от среды обитания человека, питания, профессиональной принадлежности. Соответственно, отклонения в содержании химических элементов в живом организме приводят к широкому спектру нарушений в состоянии здоровья. Следовательно, выявление и оценка сдвигов в обмене макро- и микроэлементов, их дальнейшая коррекция позволяют подойти к решению ряда вопросов, существенно влияющих на показатели здоровья населения регионов России.
Для обозначения всех патологических процессов, вызванных дефицитом, избытком или дисбалансом макро- и микроэлементов, введено понятие микроэлементозов. Они довольно широко распространены как в России и странах СНГ, так и во всем мире.
В настоящее время проблема коррекции обмена макро- и микроэлементов является чрезвычайно актуальной.
Литературные данные свидетельствуют, что дефицит жизненно необходимых элементов (селена, цинка, железа, йода, марганца) и избыток токсичных (ртуть, свинец, мышьяк, никель) способствуют росту частоты злокачественных новообразований кожи, мозга, желудочно-кишечного тракта, лимфопролиферативных заболеваний, инфекционных патологий, аутоиммунных заболеваний и дегенеративных заболеваний [3, 4, 9, 14, 30, 39, 40, 47].
Дефицит некоторых биоэлементов способствует снижению противоопухолевого иммунитета, что может стать причиной возникновения злокачественных опухолей. Экспериментальными исследованиями установлено, что на индукцию опухолей влияет низкое содержание в диете селена, цинка, меди, магния, кальция. По данным литературы, высокую заболеваемость раком желудка в отдельных регионах связывали с низким содержанием магния [6, 14, 36]. Дефицит молибдена, марганца, цинка явилось одной из причин развития рака пищевода. Имеется ряд исследований, показывающих антиканцерогенную роль лития [46].
Накопление токсичных элементов (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк) по данным ряда авторов способствует росту у детей инфекционных и аллергических заболеваний, болезней кожи, щитовидной железы, неврологических расстройств, нарушению полового созревания.
В литературе имеются сведения о влиянии свинца на нейропсихическое развитие детей. Показано, что избыток свинца в организме приводит к снижению содержания жизненно важных элементов (кальций, железо, цинк, селен) в органах и тканях.
Влияние на здоровье человека дефицита, избытка или нарушения распределения макро- и микроэлементов оценивается состоянием его элементного статуса.
В таблицах 1 и 2 приведены краткие сведения о физиологической роли жизненно необходимых биоэлементов и влиянии на организм токсичных веществ.
Таблица 1. Физиологическая роль жизненно необходимых биоэлементов
| Элемент (суточная потребность) | Физиологическая роль |
| Бор (1- 2 мг) | Существенная роль в обмене углеводов и жиров, ряда витаминов и гормонов, некоторых ферментов, нормализация обмена меди и костной ткани. |
| Ванадий (2 мг) | Участвует в регуляции углеводного обмена, сердечной деятельности, метаболизме тканей костей и зубов, катализирует окисление фосфолипидов, усиливает поглощение кислорода печенью. |
| Железо (10 – 20 мг) | Основная функция – перенос кислорода и участие в окислительно-восстановительных процессах, обеспечивая внутриклеточное дыхание. Участвует в процессе энергообеспечения, иммунитета, метаболизме холестерина. Дефицит, как и избыток отрицательно влияют на здоровье. |
| Йод (100-150 мкг) | Регулирует скорость биохимических реакций, обмена энергии, температуры тела. Участвует в регуляции белкового, жирового, водноэлектролитного и витаминного обменов. |
| Калий (2 г) | Основной внутриклеточный ион, формирует трансмембранный потенциал и гомеостаз, участвует в передаче импульса нервной и мышечной ткани, регулирует деятельность сердечной мышцы, выделительную функцию почек, регулирует водно-солевой обмен, обмен белков и углеводов. От него зависит нормальное снабжение кислородом головного мозга, обмен глюкозы. |
| Кальций (800-1500 мг) | Регуляция внутриклеточных процессов, проницаемости мембран, нервной проводимости и мышечных сокращений. Стабилизация сердечной деятельности. Формирование костной ткани. Участвует в свертывании крови. Важен в нормализации сердечной деятельности, профилактики, бессонницы, способствует хорошему настроению, профилактике рака ободочной кишки, обладает противоаллергическим действием. |
| Кобальт (20-50 мкг) | Участвует в ферментативных процессах и образовании гормонов щитовидной железы, повышает усвоение железа и синтез гемоглобина, стимулирует эритропоэз, влияет на синтез белков, способен восстанавливать S-S группы, участвующих в детоксикации. |
| Кремний (50-100 мг) | Стимулирует обмен веществ, входит в состав основных антиоксидантных соединений, интенсивно защищает организм от вредных соединений, усиливает иммунитет, способствует продолжительности жизни |
| Магний (200 – 400 мг) | Важнейший внутриклеточный элемент, участвует в синтезе белка и нуклеиновых кислот, обмене белков, жиров и углеводов, утилизации энергии, играя ключевую роль в обмене глюкозы, уменьшает возбудимость нейронов и нейромышечную передачу, играет важную роль в сокращении мышц, поддерживает нормальный ритм сердца, физиологический антагонист кальция, участвуя вместе с ним в формировании костной ткани, контролирует баланс калия, влияет на процесс свертывания крови, стимулирует защитные механизмы организма, расслабляет гладкую мускулатуру, снижает АД, ускоряет опорожнение кишечника. Магний предупреждает повышенную нервную возбудимость, помогает справиться с стрессовой ситуацией и депрессией. |
| Марганец (2.5 - 5 мг) | Участвует в синтезе нейромедиаторов, обеспечивая нормальное функционирование центральной нервной системы, препятствует свободнорадикальному окислению, стабилизирует клеточные мембраны, ингибирует апоптоз, участвует в обмене гормонов щитовидной железы, витаминов В1 и Е, усиливает действие инсулина, снижает липиды, участвует в нормальном росте и развитии организма, формировании костной ткани, обеспечивает половую активность, нормальную пигментацию волос, нормализацию уровня глюкозы крови. |
| Медь (2-3 мг) | Жизненно важный элемент, входящий в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, участвует в обмене веществ и тканевом дыхании, нормальном функционировании кровеобразующей системы и мозговых клеток. Участвует в формировании костей, сухожилий, коллагена, тормозит распад гликогена в печени. Противодействует повреждениям вызванными кислородными радикалами. Способствует усвоению железа. Играет антиатерогенную роль. Является физиологическим антагонистом цинка. |
| Молибден (75-250 мкг) | Входит с состав ферментов, участвующих в регуляции обмена мочевой кислоты, стимулирует гемопоэз. |
| Натрий (4 – 6 г) | Основной внеклеточный катион, формирует трансмембранный потенциал и гомеостаз, участвует в передаче углекислого газа, регулирует деятельность сердца, выделительную функцию почек, водный и белковый обмен. От натрия зависит транспорт аминокислот, сахаров, анионов через мембраны |
| Селен (20-100 мкг) | Присутствует во всех клетках организма. Стимулирует обмен веществ, входит в состав основных антиоксидантных соединений, интенсивно защищает организм на уровне липидов мембран от вредных соединений, усиливает иммунитет, способствует продолжительности жизни, снижению риска возникновения опухолевых процессов, заболеваний сердца и сосудов. Велика роль в передаче нервных импульсов, синтезе гормонов щитовидной железы. |
| Хром (50-200 мкг) | Участвует в регуляции синтеза жиров и обмена углеводов, обеспечивает поддержание уровня глюкозы в крови, снижает уровень холестерина, регулирует работу сердца и кровеносных сосудов |
| Цинк (10-15 мг) | Участвует в метаболизме белков и углеводов, дифференцировки клеток, формировании Т-клеточного иммунитета и противоопухолевого ответа, регенерации кожи, заживления ран, синтеза половых гормонов, роста волос и ногтей, всасывания витамина Е. Цинк, особенно в детском возрасте, способствует улучшению умственного и физического развития. Важный компонент пищеварительных ферментов, способствует биосинтезу инсулина, поддерживает баланс магния, марганца, меди и селена и препятствует повышению концентрации кадмия и свинца |
| Германий (0.4-1.5 мг) | Важен для иммунной системы, обладает противовирусной, бактерицидной и противоопухолевой активностью, антигипоксант. |