МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ — химические элементы, находящиеся в тканях животных и растительных организмов в концентрациях 1 : 100 000 и ниже; к микроэлементам относят также химические элементы, в низких концентрациях содержащиеся в водах, почвах и горных породах. Нек-рые М. являются абсолютно необходимыми для важнейших процессов жизнедеятельности человека, а также для нормального протекания многих метаболических реакций и физиол, функций. Содержание ряда М. в тканях и биол, жидкостях человека служит ценным диагностическим тестом при многих заболеваниях. В мед. целях широкое распространение получило йодирование поваренной соли для профилактики эндемического зоба и фторирование питьевой воды в целях профилактики кариеса зубов. Помимо массового (охватывающего в СССР десятки миллионов людей) профилактического применения этих М., нек-рые М. используются в мед. практике в качестве лекарственных средств (препараты кобальта и железа — при нек-рых формах анемий, препараты йода — при атеросклерозе, заболеваниях щитовидной железы и т. д.). В сельском хозяйстве важная роль М. в биол, процессах учитывается при планировании мероприятий с целью повышения продуктивности животноводства и растениеводства.
В живом организме преимущественно накапливаются те М., к-рые находятся в окружающей среде в форме подвижных, легко усваиваемых (водорастворимых) соединений. Нек-рые хим. элементы, присутствующие в почвах и горных породах в больших количествах (Si, Al, Fe и др.), являются М. для растений, животных и человека. Большинство М.— металлы (Fe, Cu, Co, Zn, Mn, Mo и др.), нек-рые М.— неметаллы (I, F, Br, Se). В организме животных и человека обнаружено св. 70 хим. элементов, содержащихся в нем в макро- и микроконцентрациях. Предполагают, что совершенствование аналитических методов позволит обнаружить в растительных и животных тканях все известные хим. элементы. Однако лишь часть М. может быть отнесена к биогенным элементам, т. е. хим. элементам, постоянно входящим в состав организмов и играющим определенную биол, роль,
К биогенным хим. элементам относят кислород (см.), углерод (см.), водород (см.), азот (см.), кальций (см.), фосфор (см.), калий (см.), серу (см.), хлор (см.), натрий (см.), магний (см.), железо (см.), цинк (см.), медь (см.), йод (см.), фтор (см.), марганец (см.), молибден (см.), кобальт (см.), ванадий (см.) и селен (см.). Кислород, углерод, водород, азот, кальций и фосфор составляют основную массу живого вещества. К биогенным М., т. е. тем М., к-рые считают необходимыми для жизнедеятельности, чаще всего относят железо (Fe), медь (Cu), цинк (Zn), йод (I), марганец (Mn), кобальт (Co), молибден (Mo), селен (Se), хром (Cr), никель (Ni), олово (Sn), кремний (Si), фтор (F) и ванадий (V).
По значению для жизнедеятельности организма М. разделяют на абсолютно необходимые (Co, Fe, Cu, Zn, Mn, I, F, Br) и вероятно необходимые (Al, Sr, Mo, Se, Ni, Si, V); роль висмута (Bi), серебра (Ag) и других М., закономерно обнаруживающихся в тканях, остается невыясненной. Однако формы содержания в организме алюминия (см.), стронция (cм.), кадмия (см.), брома (см.), бора (см.), цезия (Cs), бария (см.), висмута (см.) и ряда других, обнаруженных в живом веществе М., а также их роль в осуществлении различных функций животных и растительных организмов изучены недостаточно. Приблизительно лишь для одной трети всех М. имеются достаточно убедительные доказательства того, что они играют определенную роль в процессах жизнедеятельности организма человека.
Распределение М. в организме обусловливается их хим. свойствами и потому весьма разнообразно. Большинство биологически значимых М. входит в состав ферментов (см.), витаминов (см.), гормонов (см.), дыхательных пигментов (см.). Наиболее важными и хорошо изученными соединениями М. в организме человека являются гемоглобин (см.), миоглобин (см.), гемоцианин и другие дыхательные пигменты, а также гемосидерин, трансферрин, содержащие Fe; полифенолоксидаза и другие оксидазы (см.), содержащие Cu; карбоангидраза (см.), инсулин (см.), содержащие Zn; цианокобаламин (см.), содержащий Co; тироксин (см.), содержащий I.
Накопление М. в том или ином органе в значительной мере связано с физиол, ролью этого М. и специфической деятельностью органа (напр., преимущественное накопление Zn в половых железах и его влияние на репродуктивную функцию). Часто М. входят в состав высокоминерализованных тканей скелета, включаясь в кристаллы апатита (F, Sr и др.), и в нек-рых случаях влияют на свойства этих тканей. В других случаях М. воздействуют на органы и функции, не связанные с местом их депонирования в организме.
Действие М., входящих в состав физиологически активных соединений, проявляется гл. обр, в их влиянии на обмен веществ. Установлено, что нек-рые М. влияют на рост человека, животных (Mn, Zn, I) и растений (Mn, B, Cu); на репродуктивную функцию животных (Mn, Zn) и растений (Mn, Cu, Mo), на процессы тканевого дыхания (см. Окисление биологическое), кроветворения (см.), внутриклеточного обмена.
Существуют М. (Мо, В и др.), способность к-рых влиять на жизненные процессы у животных и растений достоверно установлена, однако их роль для жизнедеятельности организма человека не выяснена.
В естественных условиях встречаются районы, так наз. биогеохимические провинции (см.), где вследствие повышенного или пониженного содержания М. в почве и других объектах окружающей среды наблюдаются массовые заболевания (эндемии) среди животных и растений. Нек-рые эндемии могут поражать как животных, так и человека: избыток фтора в питьевой воде вызывает у человека и домашних животных флюороз (см.); недостаток йода в почве, растительности и пищевых продуктах — эндемический зоб (см. Зоб эндемический). Можно отметить, что почти во всех случаях, когда имеет место эндемическая заболеваемость среди людей, можно найти адекватные признаки болезни также и у животных, обитающих в данной местности- Напротив, при наличии эндемических заболеваний среди животных человек поражается необязательно, поскольку его пищевой рацион, как правило, лишь в известной мере состоит из продуктов местного производства. Исключением из этого правила могут явиться лишь нек-рые эндемии флюороза, при к-рых человек и животные пользуются разными водоисточниками с неодинаковым содержанием F.
Механизм развития эндемических заболеваний у животных и человека таков: недостаток или избыток М. в почве и воде приводит к дефициту или избытку их в пищевом рационе, а отсюда и в организме. При этом происходят изменения в степени усвоения М., в их метаболизме — распределении в тканях и выведении из организма, ослаблении или усилении синтеза биологически активных веществ, к-рый сопряжен с обменом какого-либо М., изменение интенсивности обменных процессов, зависящих от М., адаптация к дефициту или избытку какого-либо М. или развитие расстройств, типичных для того или иного эндемического заболевания.
Для человека известны лишь два М. естественного происхождения, являющихся причиной эндемических расстройств. Это — фтор, избыточное поступление к-рого в организм приводит к флюорозу, и йод, недостаток к-рого способствует возникновению и распространению эндемического зоба. В литературе имеются разрозненные указания на роль и других М. в патологии человека: избыток молибдена связывают с подагрой, ванадия — с распространенностью кариеса, стронция — с болезнью Кашина — Бека (см. Кашина — Бека болезнь) и т. д., однако доказательств роли этих М. в развитии перечисленных болезней нет.
В 60—70-х гг. 20 в. широко проводились работы по изучению изменений содержания М. в органах и тканях человека при различных заболеваниях, напр, при инфекционном гепатите. Результатом таких работ было установление многочисленных фактов изменения содержания М. в крови и других тканях при той или иной форме патологии. Однако эти и подобные исследования не дали и, по-видимому, не могут дать ключа к использованию М. в лечебных или профилактических целях, поскольку изменение содержания М. в организме при большинстве изучавшихся заболеваний является следствием, а не причиной заболевания. К тому же концентрация многих М., не поддающихся гомеостатическому регулированию, в крови и других тканях: решающим образом зависит от поступления этого М. с водой и пищей в данный момент, а для остеотропных и других М. с длительным периодом полувыведения из организма —и в прошлом. Другой часто встречающейся ошибкой при исследованиях М. в эксперименте на животных и при интерпретации экспериментальных данных является недостаточный учет дозы, формы соединения, ритма и путей введения М. Так, многочисленные данные экспериментаторов о способности фтора влиять на функцию щитовидной железы, печень, нервную систему и т. д. нельзя распространять на естественные условия повышенного поступления фтора с водой в эндемичных очагах флюороза, где подобных отклонений, несмотря на множество обследований, отметить не удается. Подобное несоответствие экспериментальных данных и результатов натурных наблюдений объясняется тем, что даже незначительные изменения концентрации фтора в воде радикально меняют его влияние на организм: при повышении содержания F в воде до 1,0—1,5 мг/л он проявляет выраженное антикариозное действие, при дальнейшем увеличении концентрации до 2,0—3,0 мг/л положительное антикариозное действие фтора приостанавливается, начинают появляться нежелательные эффекты в виде выраженных форм флюороза и вторичного увеличения распространенности кариеса на базе разрушенных флюорозом зубов.
Близко к проблеме биогеохимических эндемий и М. примыкает вопрос о так наз, техногенных эндемических провинциях, к-рые возникают при загрязнении окружающей среды. Известны случаи эндемических заболеваний в Японии и других странах, вызванные накоплением в окружающей среде ртути, свинца, кадмия, мышьяка и других металлов. По-видимому, можно ожидать дальнейших случаев поражения человека, животных и растительного мира М., попадание к-рых в окружающую среду обусловлено хозяйственной деятельностью человека, если не будет принято энергичных мер по охране окружающей среды от антропогенных загрязнений. В нек-рых случаях заболевания могут возникать от воздействия М. как естественного, так и техногенного происхождения (флюороз, известный ранее лишь в местностях, где в воде содержится много фтора, регистрируется ныне и в районах загрязнения воздушного бассейна выбросами алюминиевого производства, продуктами сгорания нек-рых видов твердого топлива, богатого фтором, и т. д.).
Основной источник поступления М. в организм человека — пищевые продукты растительного и животного происхождения. Питьевая вода покрывает лишь 1 — 10% суточной потребности в таких М., как I, Си, Zn, Mn, Co, Mo, и лишь для отдельных М. (F, Sr) может служить главным источником их поступления в организм. Содержание разных М. в пищевом рационе зависит от геохимических условий местности, в к-рой были получены продукты, а также от набора пищевых продуктов, входящих в рацион. Для населения развитых стран характерно включение в рацион разнообразных продуктов питания, часть из к-рых производится в других биогеохимических районах, ввиду чего ликвидируются условия, способствующие воздействию на человека биогеохимических особенностей данной местности. Основным источником поступления в организм кобальта является молоко, йода — молоко и овощи, большинства других важнейших М.— хлебопродукты и другие продукты растительного происхождения.
С возрастом содержание многих М. (Al, Cl, Pb, F, Sr, Ni) в тканях организма увеличивается, причем в период интенсивного роста и развития организма это нарастание идет сравнительно быстро, а к 15—20 годам замедляется или прекращается. Есть данные о том, что содержание Co, Cu, Ni в крови и Sr в скелете в возрасте 50—60 лет становится несколько ниже, чем в возрасте 20—25 лет. Абсолютное содержание М. в органах и тканях может существенно колебаться в зависимости от места жительства, постоянных пищевых рационов и других причин, определяющих уровень поступления и накопления данного М., а также в зависимости от индивидуальных особенностей организма. Установлено, что концентрация в крови нек-рых элементов постоянно поддерживается на сравнительно стабильном уровне (Со 0,1—4—8 мкг%, Си 70 — 150 мкг%, Fe 80—120 мкг%); другие же М. (Sr, Pb, F) не подвергаются подобной регуляции, и их содержание в крови может заметно колебаться в зависимости от уровня поступления элемента в организм. В крови большинство М. находится в связанном с белками состоянии — Cu в составе купропротеидов и церулоплазмина, Zn— в составе угольной ангидразы (карбоангидразы), Co — как компонент цианокобаламина и в форме, связанной с белком, железо — в составе гемоглобина, в виде сидерофиллина. Нек-рые М. находятся в крови в ионизированном состоянии, напр. Li; ок. 50% всего Sr и F входит в минеральные структуры костей, эмали и дентина.
Функции М. в организме весьма ответственны и многообразны. Физиолого-гигиеническая характеристика важнейших М. представлена в таблице, где приведены эффекты так наз. биотических количеств М. (т. е. количеств М., встречающихся в природе); внутри этих пределов действие одного и того же элемента может существенно меняться. Напр., малые количества Mn стимулируют кроветворение и иммунореактивность, большие — угнетают их.
Если М. поступают в организм в количествах, превышающих биотические, т. е. физиологически необходимые для организма, они могут воздействовать не на те системы и функции, на к-рые они влияют в естественных условиях. В этом отношении весьма показателен фтор — один из наиболее полно изученных и широко применяемых в профилактических целях микроэлементов.
В организме взаимодействие отмечается и между самими М. (напр., Со эффективно действует на кроветворение лишь при наличии в организме достаточных количеств Fe и Cu; Mn повышает усвоение Cu; Cu по нек-рым эффектам является антагонистом Mo; F влияет на метаболизм Sr и т. п.). Эффект М. в значительной мере зависит также от пути поступления в организм (с пищей, вдыхаемым воздухом, парентерально).
Использование М. в клин, медицине носит пока ограниченный характер. Эффективно применяются в борьбе с нек-рыми видами анемий препараты Co, Fe, Cu, Mn. В качестве лекарственных средств в клинике используют также Br и I. В области применения М. значительны успехи гигиены: йодирование соли или хлеба для профилактики эндемического зоба, фторирование воды (см.) для снижения заболеваемости кариесом зубов (см.). Фторирование питьевой воды, широко применяемое в СССР и многих других странах мира, является наиболее эффективным методом профилактики кариеса. В случаях, когда в природных водах содержится много F, применяют дефторирующие установки (см. Дефторирование воды). Проблема определения оптимальных уровней поступления большинства М. еще ждет своего решения. В необходимых биогенных М. особенно нуждается растущий организм. Наиболее важны в этом отношении следующие факторы: алиментарная обеспеченность ребенка и время года. Алиментарная обеспеченность М. в значительной степени обусловлена зональными биогеохимическими особенностями. Время года оказывает определенное влияние на баланс М. у здоровых детей. Напр., в весеннее время отмечается отрицательный баланс железа в связи с недостаточным поступлением этого М. с пищей (ограничение в рационе фруктов и овощей) и т. п.
Обмен М. у плода и новорожденного тесно связан с состоянием здоровья и обмена веществ беременной женщины и кормящей матери. Во время беременности плод получает необходимые М. через плаценту и депонирует их в печени, селезенке, костной ткани, костном мозге и т. д. В организме плода депонируется до 30%: поступающих с кровью матери М. Особенно интенсивно это депонирование идет в последние недели беременности, поэтому у недоношенных детей запасы М. ниже, чем у доношенных. Накопление М. в тканях и органах плода вызывает обеднение организма матери этими же М., в связи с чем должна быть еще раз подчеркнута необходимость полноценного сбалансированного и в отношении М. питания беременной. Содержание нек-рых М. (напр., железа, меди), в печени новорожденных в 20 раз выше, чем в печени матери.
Различная патология беременности (токсикозы, резус-конфликт, перенашивание) отрицательно сказывается на балансе М. плода. При токсикозах беременности плод получает от матери значительно меньше крови, чем при нормально протекающей беременности, в результате чего в организме плода депонируется меньше М. Наличие патологии, не связанной с беременностью, оказывает неблагоприятное влияние на обмен М. у беременной, в частности на обмен меди, кобальта и железа, что в свою очередь отрицательно сказывается на развитии плода.
При эмбрио- и фетопатиях в системе мать — плацента — плод обмен М. нарушается: в крови женщин, в плаценте, в большинстве тканей плода выявлен дефицит меди, цинка, кобальта, железа. У плода при наличии пороков развития нарушается перераспределение М.: в его тканях и органах наряду с накоплением одних М. (кобальт, железо) возникает дефицит других (медь, цинк). В крови переношенных новорожденных наблюдается увеличение концентрации меди и марганца по сравнению с нормой.
В постнатальном периоде на баланс М. ребенка влияют не только запасы М. в депо, но и содержание М. в грудном молоке, на к-рое в свою очередь влияет алиментарная обеспеченность М. матери.
Баланс многих М. у новорожденного отрицателен, т. к. опорожнение депо М. происходит интенсивнее, чем поступление М. с грудным молоком. Отрицательный баланс большинства М. у новорожденного усугубляется искусственным вскармливанием, инфекциями, авитаминозами, диспептическими расстройствами.
Дефицит М. в организме матери и плода является предпосылкой к применению М. с лечебной целью. Обогащение пищевых рационов беременных М. (медью, марганцем, цинком, кобальтом) в биотических дозах, т. е. в дозах, соответствующих физиол, потребностям организма, благоприятно отражается на обмене этих М., приводя к нормализации их содержания в биол, жидкостях, и тканях матери и плода.
У грудного ребенка обмен М. весьма напряжен, о чем свидетельствует высокий процент удержания М., поступающих с пищей, в организме, преобладание ренального их выведения над интестинальным, а также нарастание активности металлосодержащих ферментов (каталазы, карбоангидразы, церулоплазмина).
У детей с низкой массой тела при рождении выявляется сниженное количество М. в тканях по сравнению с количеством М. у детей, родившихся с нормальной массой. Обмен М. у недоношенных детей, близнецов и детей, родившихся от матерей, беременность у которых была осложнена нефропатией, отличается! особой неустойчивостью. Частота отрицательного баланса М. (напр., меди или железа) у этих детей выше, а концентрация их в крови и содержание в депо ниже, чем у детей, родившихся от матерей, у к-рых беременность была одноплодной, не осложнена токсикозом, срок беременности более 30 нед. Преимущественно интестинальный путь выделения всех М. у недоношенных детей дает основание предположить, что у них имеется как нарушение всасывания М. в жел.-киш. тракте, так и повышение их экскреции с желчью. Эндогенный дефицит ряда М. (железа, кобальта, меди, цинка) у недоношенных оказывает угнетающее влияние на функцию костного мозга и предрасполагает к развитию у недоношенных детей анемий, расстройств питания, рахита и т. д.
При анемиях обнаружено изменение содержания М. (уменьшение железа, меди, марганца, никеля, серебра, титана, цинка), либо являющееся ответной реакцией организма на развивающуюся патологию, либо обусловленное истощением запасов и недостаточным содержанием М. в основных депо и недостаточным поступлением их извне. У детей раннего возраста запасы М. истощаются значительно быстрее, что обусловлено интенсивным ростом детей, особенно если этот процесс сопровождается недостаточным поступлением М. с пищей. Эндогенный дефицит железа у матери или нарушение его обмена в ее организме связаны обычно с хрон, воспалительными процессами или с нарушением обмена веществ в системе мать — плацента — плод, что наблюдается при токсикозах второй половины беременности.
У детей раннего возраста с гипотрофией обнаружено снижение со-держания в цельной крови меди и марганца, что связано, как полагают, с нарушением их всасывания.
При рахите дефицит М. в пищевом рационе ребенка повышает чувствительность организма к D-витамин-ным препаратам, вследствие чего даже умеренные дозы таких препаратов могут приводить к D-витаминной интоксикации, что необходимо учитывать. У детей с клин, картиной D-гипервитаминоза в крови обнаруживают снижение содержания меди, железа, марганца, молибдена, никеля, кобальта, цинка, марганца по сравнению с нормой.
При острых жел.-киш. заболеваниях наблюдается снижение содержания М. в крови (меди, железа, магния), зависящее от возраста ребенка, тяжести течения болезни, типа обезвоживания, типа вскармливания. Кишечные токсикозы характеризуются выраженным дефицитом меди, магния, железа в организме.
Нормирование М. в пищевом рационе детей вызывает определенные трудности в связи с тем, что имеющиеся в литературе сведения о суточной потребности детского организма в отдельных М. отличаются значительными расхождениями. Особенно сложной задачей является определение потребности в М. детей первого года жизни, т. к. неизвестно, какая часть М. поступает алиментарным путем, а какую часть организм черпает из своих запасов. Определение адекватности пищевого рациона ребенка потребностям растущего организма в М. затруднено также отсутствием достаточно точной информации о содержании М. в пищевых продуктах различных биогеохимических зон страны.
Поскольку у грудных детей первого полугодия жизни, находящихся на естественном вскармливании, не наблюдается клин, признаков недостаточности М., можно предположить, что грудное молоко содержит достаточное количество М. для удовлетворения потребностей растущего организма в этом возрасте.
См. также Минеральный обмен.
Таблица. Основные физиолого-гигиенические характеристики важнейших микроэлементов
|
Название микроэлемента |
Основные источники поступления в организм человека |
Содержание в суточном пищевом рационе |
Суточная потребность |
Ткани и органы, в которых преимущественно накапливается |
Физиологическая роль и биологическое действие |
|
Алюминий (Al) |
Хлебопродукты |
20 — 100 мг |
2—50 мг |
Печень, головной мозг, кости |
Способствует развитию и регенерации эпителиальной, |
|
Бром (Br) |
Хлебопродукты, молоко, бобовые |
0,4 —1,0 мг |
0,5—2,0 мг |
Головной мозг, щитовидная железа |
Участвует в регуляции деятельности нервной системы, |
|
Железо (Fe) |
Фасоль, гречневая крупа, печень, мясо, овощи, фрукты, хлебопродукты |
15—40 мг |
10 — 30 мг |
Эритроциты, селезенка, печень, плазма крови |
Участвует в дыхании, кроветворении, иммунобиол. и |
|
Йод (I) |
Молоко, овощи, мясо, яйца, морская рыба |
0,04 — 0,2 мг |
50—200 мкг |
Щитовидная железа |
Необходим для функционирования щитовидной железы; |
|
Кобальт (Co) |
Молоко, хлебопродукты, овощи, говяжья печень, бобовые |
0,01—0,1 мг |
40 — 70 мкг |
Кровь, селезенка, кости, яичники, гипофиз, печень |
Стимулирует процессы кроветворения, участвует в синтезе |
|
Марганец (Mn) |
Хлебопродукты, овощи, печень, почки |
4—36 мг |
2 — 10 мг |
Кости, печень, гипофиз |
Влияет на развитие скелета, участвует в реакциях |
|
Медь (Cu) |
Хлебопродукты, листья чая, картофель, фрукты, печень, |
2—10 мг |
2 — 5 мг |
Печень, кости |
Способствует росту и развитию, участвует в кроветворении, |
|
Молибден (Mo) |
Хлебопродукты, бобовые, печень, почки |
0,1—0,6 мг |
0,1—0,5 мг |
Печень, почки, пигментный слой сетчатки |
Входит в состав ферментов, влияет на рост животных; |
|
Фтор (F) |
Вода, овощи, молоко |
0,4 — 1,8 мг |
2—3 мг |
Кости, зубы |
Повышает устойчивость зубов к кариесу, стимулирует |
|
Цинк (Zn) |
Хлебопродукты, мясо, овощи |
6 — 30 мг |
5—20 мг |
Печень, предстательная железа, сетчатка |
Участвует в процессах кроветворения, в деятельности желез |
Библиография: Коломийцева М. Г. и Габович Р. Д. Микроэлементы в медицине, М., 1970, библиогр.; Микроэлементы в питании человека. Доклад комитета экспертов ВОЗ, Сер. техн. докл. № 532, пер. с англ., М., 1975; Петровский К. С. Гигиена питания, с. 88, М., 1975; Тодоров Й. Клинические лабораторные исследования в педиатрии, пер. с болг., с. 608, М., 1968; Bertrand D. Oligo-elements et enzymes, Ann. Nutr. (Paris), t. 26, p. 411, 1972; Butt E. M. a. N u s b a u m R. E. Trace metals and disease, Ann. Rev. Med., v. 13, p. 471, 1962; Hambidge K. M. The role of zinc and other trace metal Is in pediatric nutrition and health, Pediat. Clin. N. Amer., у. 24, p. 95, 1977; M a s i r o n i R. a. o. Geochemical environments, trace elements and cardiovascular diseases, Bull. Wld H 1th Org., v. 47, p. 139, 1972; M ertz W. Recommended dietary allowances up to date-trace minerals, J. Amer. diet. Ass., v. 64, p. 163, 1974; Mineral metabolism in pediatrics, ed. by D. Barltrop a. W. L. Burland, Oxford, 1969; Soman S. D. a. o. Studies on major and trace element content in human tissues, Hlth Phys., v. 19, p. 641, 1970.
В. А. Книжников; A. А. Муравьев, H. А. Тюрин (пед.).