Биологически значимые элементы

Биологически значимые элементы (в противоположность биологически инертным элементам) — химические элементы, необходимые живым организмам для обеспечения нормальной жизнедеятельности.

Элементы, обеспечивающие жизнедеятельность организма, классифицируют по разным признакам — содержанию в организме, степени необходимости, биологической роли, тканевой специфичности и др. По содержанию в теле человека и других млекопитающих элементы делят на:

• макроэлементы (сотые доли процента и более);
• микроэлементы (от стотысячных до тысячных долей процента);
• ультрамикроэлементы (миллионные доли процента и менее).

Некоторые авторы проводят границы между этими типами по другим значениям концентрации. Иногда ультрамикроэлементы не отделяют от микроэлементов.

Макроэлементы

Доли содержания биологически значимых элементов в теле человека по Скальному А. В.(2019)

Эти элементы слагают основу тел организмов. Содержатся в организме взрослого человека в значительных количествах, от десятков граммов (хлор, магний) до десятков килограммов (кислород, углерод); другими словами, к макроэлементам относятся все биоэлементы, содержание которых в организме превышает 0,1 % массы тела.

Органогенные элементы

Основную долю массы клетки составляют 4 элемента (указано их содержание в теле человека):

• Кислород — 65 %;
• Углерод — 18 %;
• Водород — 10 %;
• Азот — 3 %.

Эти макроэлементы называют органогенными элементами или макронутриентами (англ. macronutrient). Преимущественно из них построены белки, жиры, (углеводы), нуклеиновые кислоты и многие другие органические вещества. Иногда эти четыре элемента обозначают акронимом CHNO, состоящим из их обозначений в таблице Менделеева.

Другие макроэлементы

Ниже перечислены другие макроэлементы и их содержание в теле человека.

• Кальций — 1,7 %
• Фосфор — 1,25 %
• Калий — 0,25 %
• Сера — 0,3 %
• Натрий — 0,2 %
• Хлор — 0,2 %
• Магний — 0,05 %

Микроэлементы

Термин «микроэлементы» получил особое распространение в медицинской, биологической и сельскохозяйственной научной литературе в середине XX века. В частности, для агрономов стало очевидным, что даже достаточное количество «макроэлементов» в удобрениях (троица (NPK) — азот, фосфор, калий) не обеспечивает нормального развития растений.

Микроэлементы — элементы, содержание которых в организме человека находится в пределах от 0,001 до 0,00001 % (от нескольких г до нескольких мг); другими словами, к микроэлементам относятся все элементы, содержание которых меньше 0,1 % массы тела. По своему значению для обеспечения жизнедеятельности организма, микроэлементы можно разделить на три группы: микроэлементы эссенциальные, микроэлементы условно эссенциальные, микроэлементы токсичные и малоизученные. Сложность подобной классификации микроэлементов состоит в том, что сами эссенциальные микроэлементы при определённых условиях могут вызывать токсичные реакции, а отдельные токсические микроэлементы при определённой дозировке и экспозиции могут обнаруживать свойства эссенциальных, то есть оказываться жизненно важными. Содержание микроэлементов в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Поддержание их содержания в тканях на физиологическом уровне необходимо для поддержания постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма.

Эссенциальные микроэлементы

Эссенциальными (или жизненно необходимыми) называют микроэлементы, которые постоянно присутствуют в организме и для которых установлена их исключительная роль в обеспечении жизнедеятельности. Все жизненно необходимые микроэлементы поступают в организм с пищей и питьевой водой. Среди них (в алфавитном порядке):

• Ванадий (V)
• Железо (Fe)
• Иод (I)
• Кобальт (Co)
• Кремний (Si)
• Литий (Li)
• Никель (Ni)
• Марганец (Mn)
• Медь (Cu)
• Молибден (Mo)
• Мышьяк (As)
• Селен (Se)
• Фтор (F)
• Хром (Cr)
• Цинк (Zn)

Условно эссенциальные микроэлементы

Условно эссенциальными (или условно жизненно необходимыми) называют микроэлементы, в отношении которых накапливается всё больше данных об их важной роли в обеспечении жизнедеятельности организма. Среди них (в алфавитном порядке):

• Бор (B)
• Бром (Br)
• Кадмий (Cd)
• Свинец (Pb)
• Стронций (Sr)
• Титан (Ti)

Токсичные и малоизученные микроэлементы

К токсичным и малоизученным относится большая группа элементов, которые в микроколичествах постоянно присутствуют в организме, однако их биологическая роль изучена ещё недостаточно. Так как многие из этих элементов обладают относительно высокой токсичностью, обычно основное внимание уделяется именно их вредному воздействию на организм. Токсичные и малоизученные микроэлементы не входят в число эссенциальных микроэлементов. Среди них (в алфавитном порядке):

• Барий (Ba)
• Бериллий (Be)
• Висмут (Bi)
• Галлий (Ga)
• (Германий) (Ge)
• Лантан (La)
• Олово (Sn)
• Радий (Ra)
• Рубидий (Rb)
• Серебро (Ag)
• (Скандий) (Sc)
• Торий (Th)
• Уран (U)
• Цезий (Cs)
• Цирконий (Zr)

Биогенные элементы

Биогенными (биофильными) называют химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определённые биологические функции. Элементы и их соединения, требующиеся биоте в больших количествах, называют макробиогенными (С, О, N, H, Ca, P, S), а в малых количествах — микробиогенными. Для растений это: Fe, Mg, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V, Ca, которые обеспечивают функции фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию. Для животных требуются как перечисленные элементы (кроме B), так и дополнительно Se, Cr, Ni, F, I и Sn. Несмотря на малые количества, все эти элементы необходимы для жизнедеятельности биосистем.

Взаимодействие и гомеостаз

Основная статья: (Взаимодействия микронутриентов)

Ионная природа элементов приводит к образованию их комплексов под действием различных неабсорбированных компонентов пищи. Не все факторы, влияющие на эти процессы, хорошо изучены. В числе прочего гомеостаз элементов в организме человека зависит от следующего:

• алкоголь;
• потеря крови;
• лекарства;
• заболевания;
• инфекции;
• тяжёлые металлы;
• гормоны;
• генетическая предрасположенность;
• хирургическое вмешательство;
• инфаркт миокарда;
• нефроз;
• беременность;
• противогриппозные вакцины пролонгированного действия;
• нарушение всасывания (мальсорбация);
• потоотделение;
• пищевые волокна;
• кормление грудью;
• (фитат).

Биологически значимые элементы не только усваиваются в желудочно-кишечном тракте, для многих из них он является местом выделения. В идеале большая часть выделенных в желудочно-кишечный тракт элементов (реабсорбируется). Одни элементы могут усваиваться путём активного транспорта или стимулирования диффузии; другие усваиваются посредством пассивной диффузии, некоторые — с помощью двух и более механизмов. Усвоение необходимых элементов контролируется гомеостазом, что обеспечивает их нормальное, или симметричное, распределение.

Существует определённое физиологическое взаимодействие между элементами, конкурирующими за места образования связей на щёточной каёмке (энтероцитов), за определённые органические комплексообразующие элементы внутри энтероцитов или за сайты на специфических (транспортных белках). Существует и конкуренция за рецепторы перед встраиванием в их дефинитивную матрицу в функциональных клетках. Физические и химические свойства элементов определяются при этом их электронной конфигурацией.

Недостаток минеральных веществ в организме

Основные причины, вызывающие недостаток минеральных веществ:

• Неправильное или однообразное питание, некачественная питьевая вода.
• Геологические особенности различных регионов Земли — эндемические (неблагоприятные) районы (см. Эндемические заболевания).
• Большая потеря минеральных веществ по причине кровотечений, (болезнь Крона), язвенный колит.
• Употребление алкоголя и некоторых лекарственных средств, связывающих микроэлементы или вызывающих их потерю организмом.

Использование термина «минерал» по отношению к биологически значимым элементам

Микро- и макроэлементы попадают в организм главным образом с пищей. Для их обозначения в английском языке существует термин dietary minerals.

В конце XX века российские производители некоторых лекарственных препаратов и биологически активных добавок стали использовать для обозначения макро- и микроэлементов термин «минерал». С научной точки зрения такое употребление этого термина является неправильным, так как он означает только геологическое природное тело с кристаллической структурой. Тем не менее производители так называемых «биологических добавок» стали называть свою продукцию (витаминно-минеральными комплексами), имея в виду минеральные добавки к витаминам.

См. также

• (Химический состав клетки)
• (Рекомендуемая суточная норма потребления)
• Незаменимые пищевые вещества
• (Биофортификация)
• (Взаимодействия микронутриентов)

Примечания

Комментарии

1. Иногда органогенными элементами (органогенами) называют только C, H, N, O, иногда — ещё и P и S, а иногда — все элементы, играющие какую-либо роль в жизни организмов.
2. Иногда макронутриентами называют белки, жиры и углеводы.

Источники

1. Скальный А. В., Рудаков И. А. Биоэлементы в медицине. — Оникс 21 век, Мир, 2004. — С. 18—23. — 272 с. — .
2. // Словарь ботанических терминов / И.А. Дудка. — Киев: Наукова Думка, 1984.
3. // Словарь ботанических терминов / И.А. Дудка. — Киев: Наукова Думка, 1984.
4. // Словарь ботанических терминов / И.А. Дудка. — Киев: Наукова Думка, 1984.
5. (Авцын А. П.), Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэлементозы человека. — М.: Медицина, 1991. — 496 с. — .
6. Кидин В.В., Торшин С.П. Агрохимия. Учебник. — Проспект, 2015. — 619 с. — .
7. Полянская Ирина Сергеевна. Новая классификация [[биоэлемент]]ов в биоэлементологии  (неопр.). cyberleninka.ru. Журнал «Молочнохозяйственный вестник» Вологодской государственной молочнохозяйственной академии им. Н.В. Верещагина, номер 1(13), С. 34-42 (2014). Дата обращения: 19 марта 2021. 26 марта 2020 года.
8. Скальный А.В., Рудаков И.А., Нотова С.В., Скальный В.В., Бурцева Т.И., Баранова О.В., Губайдулина С.Г. Биоэлементология:основные понятия и термины. Терминологический словарь  (неопр.). window.edu.ru. ГОУ «Оренбургский государственный университет» (2005). Дата обращения: 6 апреля 2021. 31 октября 2017 года.
9. Билич Г. Л., Крыжановский В. А. Биология. Полный курс: В 4 т. — издание 5-е, дополненное и переработанное. — Оникс, 2009. — С. 20. — 864 с. — .
10. Starr C., McMillan B. 2.1. Atoms and Elements // Human Biology. — 11 ed. — Cengage Learning, 2014. — P. 16. — 608 p. — .
11. Органогенные элементы // (Большая медицинская энциклопедия) / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978.
12. Дедю И. И. Органогены // Экологический энциклопедический словарь. — Кишинев, 1989.
13. Методические рекомендации 2.3.1.2432-08. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации.  (неопр.) Дата обращения: 19 июля 2017. 6 августа 2017 года.
14. Скальный А.В. Микроэлементы: бодрость, здоровье, долголетие. — Издательство Перо - С.11, 2019.
15. (Ковальский В.В.), Раецкая Ю. И., Грачёва Т. И. Микроэлементы в растениях и кормах. — АН СССР. Науч. совет по микроэлементам в растениеводстве и животноводстве. Всесоюз. акад. с.-х. наук им. В. И. Ленина. - Москва: Колос, 1971.
16. Underwood EJ. Trace elements and health: an overview  (неопр.). pubmed.ncbi.nlm.nih.gov. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences (1979). Дата обращения: 16 апреля 2021. 16 апреля 2021 года.
17. (Бабенко Г. А.), Решеткина Л. П. Микроэлементы в экспериментальной и клинической медицине. — Киев: Здоров`я, 1965.
18. Скальный А.В. Биологическая роль макро- и микроэлементов у человека и животных. — Санкт-Петербург: Наука, 2008.
19. Osamu WADA. What are Trace Elements? Their deficiency and excess states  (неопр.). med.or.jp. Journal of the Japan Medical Association (Vol. 129, No. 5, 2003, pages 607–612) (2003). Дата обращения: 16 апреля 2021. 29 марта 2017 года.
20. Козловский Е. А., Ледовских А. А. (гл. редакторы) и др. Биофильные (биогенные) элементы  (неопр.). ecoindustry.ru. Российская геологическая энциклопедия. В трех томах. Т. 1 (А-И). – М. – СПб.: Изд-во (ВСЕГЕИ) (2010). — «». Дата обращения: 5 апреля 2021. 26 марта 2017 года.
21. Биогенные элементы // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
22. БИОГЕ́ННЫЕ ЭЛЕМЕ́НТЫ : [ 27 сентября 2020] // «Банкетная кампания» 1904 — Большой Иргиз. — М. : Большая российская энциклопедия, 2005. — С. 486. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 3). — .
23. O'Dell B.L. Effect of dietary components upon zinc availability. — The American Journal of Clinical Nutrition, 1969.
24. Prasad A.S., Oberleas D. Factors affecting zinc homeostasis. — Trace Elements in Human Health and Disease, Vol. I, p. 155-162. New York, Academic Press, 1977.
25. Liebscher K., Smith H. Essential and non-essential trace elements. — Archives of Environmental & Occupational Health 17(6): 881-890, 1968.
26. Hill C.H., Matrone G. Chemical parameters in the study of in vivo and in vitro interactions of transition elements. — Federation Proceedings 29(4):1474-1481, 1970.
27. Dietary Minerals  (неопр.). sciencedirect.com. Trends in Food Science & Technology (2017). Дата обращения: 7 мая 2021.
28. Гороховская Г.Н., Зимаева Ю.О., Петина М.М. Витаминно–минеральные комплексы в современной клинической практике  (неопр.). rmj.ru. Русский медицинский журнал, №5 с. 345 (7 марта 2008). Дата обращения: 7 мая 2021. 17 января 2021 года.

Литература

• Ultratrace minerals. Authors: Nielsen, Forrest H. USDA, ARS Source: Modern nutrition in health and disease / editors, Maurice E. Shils … et al.. Baltimore: Williams & Wilkins, c 1999., p. 283—303. Issue Date: 1999.
• Авцын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэлементозы человека. — М.: Медицина, 1991. — С. 16. — 496 с. — .
• Скальный А. В., Рудаков И. А. Биоэлементы в медицине. — Оникс 21 век, Мир, 2004. — С. 18—19. — 272 с. — .