Лекция 9. Микроэлементы, их значение для организма человека в совре­менных экологических условиях

Определение микроэлементов – биогеохимические и техногенные эндемии – классификация микроэлементов – микроэлеинтозы

"Микроэлементы... – как пишет А.П. Авцын (1972), – это не случайные ингредиенты 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... Выделены три основополагающих принципа ее функционирования: 1) избира­тельное поглощение микроэлементов; 2) избирательная концентра­ция их в определенных организмах, органах, тканях и некоторых органеллах клетки; 3) селективная элиминация. Вероятно, эти ме­ханизмы поддерживают микроэлементный гомеостаз".

Концентрация элементов в живом веществе прямо пропорцио­нальна содержанию их в среде обитания с учетом растворимости их соединений. Согласно учению А.П. Виноградова (1933), которому принадлежат фундаментальные труды об элементном составе раз­личных видов растений и животных, химический состав организма есть его признак – видовой, родовой и др.; различные области зем­ной поверхности различаются по элементному составу, что приво­дит к различию в содержании микроэлементов в организмах и свое­образным биологическим реакциям в ответ на эти различия.

Эти представления лежат в основе учения о биогеохимических провинциях и биогеохимической патологии (эндемических болез­нях), которое разработано детально В.В. Ковальским. Содержание микроэлементов в окружающей среде имеет большое значение для организма человека. Знание аномальных в биогеохимическом отно­шении регионов и провинций природного происхождения как ис­точников биогеохимических эндемий очень важно для эпидемиоло­гической оценки этих очагов, разработки научно обоснованных ме­тодов профилактики таких болезней. Однако в последнее время еще более остро встала проблема техногенных эндемий, т.е. заболева­ний антропургического происхождения. Существенные наблюдения накоплены фитопатологами и специалистами по болезням живот­ных. Они показывают, что микроэлементные загрязнения сред жиз­ни по своему значению начинают приобретать характер "лимитиру­ющих факторов", которые угрожают не только нормальному развитию, но и самому существованию различных видов живых существ (Ю. Одум, 1975).

До тех пор, пока реакции организма в ответ на изменения кон­центраций микроэлементов в среде не выходят за пределы нормы реакции, организм сохраняет гомеостаз, в противном случае разви­вается экопатология (нарушаются адаптационные механизмы, про­исходят разбалансирование ферментативных процессов, изменения метаболических превращений).

Микроэлементные загрязнения окружающей среды представля­ют большую опасность в индустриально развитых странах. Рядом со многими промышленными предприятиями образуются постоянно расширяющиеся техногенные биогеохимические провинции с повы­шенным содержанием в средах жизни свинца, мышьяка, фтора, ртути, кадмия, марганца, никеля и других элементов. Микроэлементные загрязнения возникают и на значительном отдалении от предприятий в результате трансгрессии (переноса) загрязнителей воздушными массами и водными потоками. Такой перенос может быть эпизодическим (например, в результате катастроф), но может быть и постоянным (например, кислотные дожди, выпадения окси­дов серы и азота) и носит не только локальный, но и глобальный ха­рактер.

Крупные индустриальные центры представляют собой экстре­мальные зоны обитания в результате интенсивного загрязнения. Средний уровень микроэлементов намного выше в городах по срав­нению с природными ландшафтами: Wo, Hg, Cd, Pb – в 14-50 раз, Sb, Mo, Zn – в 30-400 раз, Сu, Ni – в 8-63 раза, Co, Cr – в 11-46 раз. Распределение их связано с условиями застройки городов.

Агрессивность внешней среды, обусловленная антропогенными изменениями, в настоящее время настолько велика, что ее нельзя игнорировать. В условиях микроэлементных загрязнений происхо­дит накопление различных токсичных элементов в плаценте, воло­сах, органах эндокринной системы. Происходят явления дизадаптации, нарушения физического и психического развития, диспластические изменения скелета и другие нарушения.

Согласно современным представлениям, ряд микроэлементов яв­ляется абсолютно необходимым (эссенциальным) для организма, оптимального состояния его здоровья. Эти химические элементы оказывают большое влияние на жизнь организма, вступая в связь с органическими веществами, синтезируемыми в живых клетках. Они влияют на оплодотворение, развитие, рост, жизнеспособность организма, его иммунологические свойства, дыхательную функцию гемоглобина и прочие важнейшие функции. Процессы метаболизма происходят при участии многих металлоферментов. Вместе с тем каждый элемент имеет присущий ему диапазон безопасной экспозиции, который поддерживает определенные тканевые концентра­ции и функции; у каждого микроэлемента есть также свой токсический диапазон, когда безопасная степень его экспозиции превыше­на.

В настоящее время введен термин микроэлементов (А.П. Авцын, 1991), объединяющий все патологические процессы, вызван­ные избытком, дефицитом или дисбалансом микроэлементов. В ос­нову их классификации положен принцип, согласно которому на первое место выдвигаются этиологический фактор и характер его проявления. Это выражено в названиях микроэлементозов:

– если имеется в виду дефицит микроэлементов, то микроэлементоз трактуется как дефицитное состояние по названию элемен­та: купродефициты, цинкдефициты, хромдефициты, селендефициты и т.д. Употребляются также названия типа гипоиодоз или гипо­идное состояние, гипосидероз или сидеропеническое заболевание;

– если речь идет о микроэлементной токсикопатии (микроэлементном токсикозе), то и название микроэлементоза образуется для каждого микроэлемента соответственно с добавлением слова "токсикоз": Al-токсикоз, Cd-токсикоз, Hg-токсикоз, Рb-токсикоз и т.д. При этом сохраняются и такие названия, как меркуриализм, плюмбизм и др.

Дефицит многих микроэлементов связан не только с недостаточ­ным поступлением их в организм, но и с интенсивностью их всасы­вания, с неполноценностью транспорта и метаболизма, с нарушени­ем активности специфических лигандов и клеточных рецепторов, с деятельностью многих систем организма. С другой стороны, относи­тельный дефицит может возникать для одних элементов в резуль­тате дисбаланса с другими. Микроэлементные токсикозы – реаль­ное явление в современных экологических условиях, результат по­стоянного загрязнения сред жизни вследствие выбросов в атмосфе­ру солей и оксидов металлов, оксидов серы и азота.

Различают мономикроэлементозы – заболевания, обусловлен­ные избытком или недостатком одного микроэлемента, и полимикроэлементозы – заболевания, в этиологии которых существенную роль играют несколько микроэлементов или дисбаланс с нескольки­ми микроэлементами. К ним относятся такие массовые заболева­ния, как кариес зубов, широко распространенная группа мочека­менных болезней, гетерогенная по патогенезу группа эндемическо­го зоба, группа анемий сложной биохимической природы и др.

Выделяется также вторичный микроэлементов, который присоединяется к основному заболеванию на различных стадиях его течения или может иметь ятрогенное происхождение (быть следствием различных медицинских воздействии, например, хирургических операций на желудочно-кишечном тракте, когда повреждаются зо­ны всасывания микроэлементов, неконтролируемого лечения пре­паратами, содержащими металлы, может развиваться при тяжелых гельминтозах, таких как описторхоз, дифиллоботриоз).

Одной из особенностей микроэлементов является их способность накапливаться в организме. Поэтому перенасыщение ими воздуха, воды и почвы может привести к значительным концентрациям их в организме человека.

Патогенетические механизмы микроэлементозов обусловлены их собственной биологической ролью и состоянием организма.

Ряд микроэлементов является эссенциальными: Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Se, Mo, Со. Вещество считается эссенциальным и питательным для живого организма, если этот организм не может ни расти, ни завершать свой жизненный цикл в его отсутствии. Следовательно, дефицит таких элементов непременно нарушает основные процессы жизнедеятельности организма.

Микроэлементы входят в состав общей регуляторной системы ор­ганизма, поддерживающей его гомеостаз. Некоторые из них стаби­лизируют структуру молекул ДНК, различных видов РНК, ряда структурных белков, структурную целостность органелл. Отсюда недостаточность таких элементов затрагивает самые тонкие меха­низмы поддержания гомеостаза, саму основу существования живо­го.

Многие ферменты либо содержат встроенные в них металлы, ли­бо специфически активируются (или подавляются) с помощью мик­роэлементов. Поэтому недостаток или избыток таких микроэлемен­тов сопровождается целым каскадом метаболических нарушений. В условиях дефицита или микроэлементного токсикоза возникают достаточно характерные заболевания и синдромы, знать которые обязаны клиницисты, патологи, специалисты по клинической био­химии.

Часть микроэлементов является условно эссенциальными: As, В, Br, F, Li, Ni, Si, V. Для них не установлены дефицитные состояния человека. Патологические механизмы микроэлементозов в этих случаях связаны в основном с избытком таких микроэлементов, с различными токсикозами как острого, так и хронического характе­ра.

Существует группа токсичных и условно-токсичных микроэле­ментов: Al, Cd, Pb, Hg, Be, Ba, В, Sr, Sb. Для них также не установлены дефицитные состояния у человека. Накопление их в организ­ме приводит к различным токсикозам полиморфного характера с поражением разных органов и систем.

Ряд микроэлементов образует пары или триады, которые оказы­вают синергическое или антагонистическое действие на различные физиологические и патологические показатели: Си и Zn, Fe и Мn, Fe и Zn, Cd и Сu. Кроме того, установлены взаимодействия для Си,

Мо и S0₄₂^_; F, Са и РО_43-, т.е. проблема взаимодействия микроэле­ментов выходит за пределы только этой группы веществ и связыва­ется с активностью ряда макроэлементов.

Микроэлементный статус тесно связан с возникновением и прогрессированием злокачественных опухолей. При всех формах ра­ка в крови снижено количество Fe. Повышение частоты онколо­гических заболеваний связывается с дефицитом Mg, Se, Mo и, на­против, с повышенным уровнем As, Cd, Ni, Cu, Mn, V, Sr, сульфа­тов.

В разные периоды онтогенеза патогенетические механизмы микроэлементозов могут быть различными. С одной стороны, в период внутриутробного развития происходит физиологическое накопле­ние в организме плода многих микроэлементов, что обеспечивает интенсивность метаболических процессов, быстрый рост и разви­тие. С первых месяцев жизни наступает уменьшение этого резерва. Среди детей существуют группы риска, в которых довольно часто встречаются дефициты микроэлементов (гипотрофия и недоношен­ность; продолжительное парентеральное питание; рецидивирую­щая диарея и кишечная мальабсорбция; длительный катаболизм, синдром короткого кишечника; низкая концентрация микроэле­ментов в грудном молоке и др.). Сдругой стороны, избыток опреде­ленных микроэлементов может привести к различным эмбриогоксическим эффектам, вплоть до гибели плода.

Влияние микроэлементов на обменные процессы реализуется, прежде всего, через их воздействие на генетический аппарат клетки. Связываясь с нуклеотидами, ионы металлов вызывают существен­ные изменения в структуре нуклеиновых кислот. Отсутствие ме­таллов ведет к дестабилизации двойной спирали ДНК и ее частич­ной денатурации. Присоединение металлов может ослабить элект­ростатическое отталкивание между цепями ДНК; привести к раз­рыву водородных связей между парами азотистых оснований; Сг и Fe могут включаться в структуру ДНК, образуя поперечные сшив­ки между нитями, и видоизменять ее структуру.

Металлы участвуют в самих процессах репликации и транскрип­ции. От их концентрации зависит структура хроматина. Так, Zn, Mg_e и Мn являются составной частью большого числа фермен­тов нуклеинового обмена (ДНК- и РНК-полимераз, обратной транскриптазы, терминальной дезоксирибонуклеотидтрансферазы, т-рНК-синтетазы, фактора инициации трансляции и др.). Избыток металлов может вызывать неверное спаривание оснований, оши­бочное аминоацилирование т-РНК и т.д. Поэтому дефицит, избы­ток и дисбаланс микроэлементов в организме человека может при­водить к различным генетическим нарушениям на уровне гамет (гаметопатиям) в виде генных, хромосомных или геномных мута­ций. Нарушение обмена микроэлементов (как недостаток их, так и избыток) в организме беременной женщины может вызывать раз­личные пороки развития. Генетические нарушения обмена микро­элементов могут быть первичными, затрагивающими все обменные процессы в организме или нарушающими только отдельные этапы метаболизма определенных микроэлементов, и вторичными, вы­званными иными генетическими эффектами.

Дата добавления: 2014-01-20