XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Среди самых актуальных категорий в системе ценностей общества лидирующую позицию в настоящее время занимает вопрос сохранения и укрепления здоровья человека. Организм человека – это сложная биохимическая система, которая не может функционировать самостоятельно, без взаимосвязи с окружающей средой. От того, какая будет окружающая среда, что будет из неё попадать в организм с воздухом, водой, пищей, во многом будет зависеть здоровье человека.

Совсем недавно научная мысль была взволнована проблемой нехватки металлов не только в окружающей среде, но и в организме человека, ибо без металлов нет жизни, так как металлы входят в состав главнейших физиологических регуляторов и без них не возможен обмен веществ.

Сегодня человечество, выкачивая металлы из земных недр, всё больше окружая себя механизмами, металлическими изделиями, создавая огромные индустриальные центры, тем самым выдвигает новую, не менее важную проблему. Металлы – уже не недостаток, а явный избыток и к тому же опасный загрязнитель окружающей среды. Многие из них, особенно тяжёлые металлы, способны накапливаться в организме, вызывая различные заболевания.

В связи с этим мы считаем актуальной проблему содержания металлов в организме, поэтому целью нашей работы является изучение двойственной роли металлов.

Задачи:

1. Изучить содержание металлов в организме человека.

2. Раскрыть биологическую роль металлов.

3. Рассмотреть влияние недостатка и избытка металлов на здоровье человека.

4. Перечислить источники поступления металлов в организм человека.

Объект: металлы как химические элементы.

Предмет: биологическая роль металлов.

Вид проекта: информационный.

Методы исследования: анализ, обобщение, систематизация.

Содержание металлов в организме человека

В любом живом организме, в том числе и в организме человека, непрерывно протекает множество химических ре­акций. Можно сказать, что каждая живая клетка представ­ляет собой микроскопическую химическую лабораторию.

Совокупность всех химических изменений и всех ви­дов превращений веществ и энергии в организме называ­ется обменом веществ, или метаболизмом. Обмен веществ обеспечивает развитие, жизнедеятельность и самовоспро­изведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий.

В обмене веществ участвуют и неорганические, и орга­нические вещества. Химические элементы, которые об­разуют эти вещества, называются биогенными элемента­ми.

Часто говорят, что в организме человека содержится вся таблица химических элементов Д.И. Менделеева. И это не далеко от истины: в организме человека обнаружено более 80 химических элементов.

Для классификации химических элементов, содержащихся в организме человека, применимы два подхода. Условно их можно назвать так: «химический» - по массовому процентному содержанию и «биологический» - по их биологической роли.

Классификация элементов по биологической роли осуществляется следующим образом.

Первая группа - так называемые элементы-органогены (элементы жизни), которые образуют важ­нейшие вещества организма – воду, белки, углеводы, жиры, витамины, гормоны и др. К органогенам относят­ся 6 химических элементов: углерод С, кислород О, водо­род Н, азот N, фосфор Р, сера S. Их общая массовая доля в организме человека составляет примерно 97,3%.

Все элементы-органогены являются неметаллами.

Вторая группа – элементы, роль и значение которых для жизнедеятельности организма известны (кроме элементов, входящих в первую группу). Эта группа постоянно расширяется по мере развития науки.

К числу биогенных элементов относится и ряд метал­лов, среди которых особенно важные биологические фун­кции выполняют 10 так называемых «металлов жизни». Этими металлами являются четыре s-металла: кальций Са, калий К, натрий Na, магний Mgи шесть d-металлов: желе­зо Fe, цинк Zn, медь Си, марганец Mп, молибден Мо, ко­бальт Со. В таблице 1 приведены массовые доли и массы каж­дого «металла жизни» в организме человека (массой 70 кг).

Таблица 1 - Содержание «металлов жизни» в организме человека

Металл	Массовая доля (в %)	Масса (в г/70 кг)
Са	1,5	1050
К	0,35	245
Na	0,15	105
Mg	0,05	35
Fe	0,006	4,2
Zn	0,0027	1,9
Сu	2∙10-4	0,14
Mn	3∙10-5	0,02
Mo	2∙10-5	0,015
Co	4∙10-6	0,003
Всего	2,1 %	1450 г

Кроме 10 «металлов жизни» к числу биогенных эле­ментов в последнее время относят ещё некоторые металлы, например, олово Sn, литий Li, хром Сrи некоторые другие.

Третья группа – элементы, роль которых ещё не ясна, и токсичные элементы (Cd, Hg, Tl, Pb и другие).

В зависимости от массовой доли в организме все био­генные элементы делятся на:

а) макроэлементы (массовая доля в организме больше10 ^-2 %, или больше 7 г);

б) микроэлементы (массовая доля в организме меньше 10 ^-2 %, или меньше 7 г).

К макроэлементам относятся 4 «металла жизни»: Са, К, Na, Mg.

Химические элементы концентрируются в организме человека неравномерно. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Это депо (запасники) микроэлементов. Сейчас, анализируя химический состав некоторых частей человеческого организма (крови, желудочного сока, волос и т. д.), учёные делают вывод не только о физиологическом, но и о психическом состоянии организма. Известно, что при стрессе содержание цинка в крови возрастает. Повышение содержания Ni и Mn в крови происходит незадолго до инфаркта.

Методом масс-спектроскопии было определено содержание микроэлементов в волосах. У агрессивных людей (как взрослых, так и подростков) в волосах обнаруживается повышенное содержание Pb, Fe, Cd, Ca, Cu и пониженное Zn, Li, Co.

Химический состав организмов есть отражение химического состава окружающей их естественной среды и количественное содержание тех или иных химических элементов в живом веществе зависит от величины относительных атомных масс, радиусов атомов.

Химическое загрязнение природной среды отрицательно сказывается на жизнедеятельности биологических систем и здоровье человека, поэтому важно знать ряд закономерностей, позволяющих предположить реакцию организмов на изменение качественного состава внешней среды, возможные негативные процессы, влекущие за собой болезни и даже гибель особи. Эти закономерности касаются распространения элементов в природе, концентрации их в живых организмах, доли участия в обмене веществ (метаболизме), проявления токсичности и конкурентных отношений.

С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе, а, следовательно, и в живом организме и уменьшается доля их участия в обмене веществ, но возрастает токсичность элементов (в соединениях, а для некоторых элементов и в виде простых веществ, например для ртути: пары её ядовиты).

Например, магний – это макроэлемент, участвующий в образовании костной ткани, в белковом обмене, регулирующий кровяное давление. Магний необходим для образования структуры и нормальной функции митохондрий («энергетических станций» живой клетки).

Элемент этой же группы – барий даже в небольших количествах опасен для организма. Водорастворимые соли бария – хлорид, нитрат, сульфид - очень ядовиты. При остром отравлении ими поражаются нервная система, сосуды, а при хроническом – костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор, что приводит к нарушению кальциевого обмена и тяжёлому поражению костной ткани, известному под названием уровской болезни (размягчение костей).

Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкуренцию и могут взаимозаменяться в живых организмах, оказывая тем самым влияние на структуру биомолекул, их биохимическую активность, на биохимические процессы.

Примерами конкурентных пар, возникающих при загрязнении природной среды, могут служить: Ca – Ba, Zn – Hg, Fe – Ni (Co), S – Se, Ni – Cd, Zn – Cd, Al – Ca, Al – Fe, Mg – Mn, K – Li, K –Tl, Ca – Sr, Ni – Cu.

Таллий – биологический конкурент калия, заменяет его в клеточных мембранах, поражает центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки.

Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме человека на стронций. Ионы стронция настолько близки по характеристикам к ионам кальция, что включаются в обмен веществ вместе с ними, но, обладая большей скоростью обмена и значительно отличаясь по размеру, они постепенно нарушают нормальную кальцификацию скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, в огромных количествах накапливающегося в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.

Такая взаимозаменяемость наблюдается всегда при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании (при загрязнении среды) других. Этот процесс объясняется, прежде всего, аналогичным строением атомов элементов, сходными химическими свойствами и близкими величинами радиусов ионов.

Биологическая роль металлов

Рассмотрим биологическую роль основных металлов жизни.

Биологическая роль натрия

В организме натрий находится в виде ионов и является основным внеклеточным ионом. Натрий поддерживает постоянство осмотического давления крови, необходимое для нормальной жизнедеятельности клеток тканей. Участвует в регулировании водного обмена. Активизирует пищеварительные ферменты, регулирует работу нервной и мышечной тканей.

Биологическая роль калия

В организме человека калий находится в виде ионов, которые являются внутриклеточными ионами – 98% от общего количества калия находится внутри кле­ток, 2% – во внеклеточной жидкости.

Калий регулирует кислотно-щелочное равновесие крови. Участвует в передаче нервных импульсов. Активизирует работу ряда ферментов. Обладает защитными свойствами против нежелательного действия натрия и нормализует давление крови. Оказывает противосклеротическое действие.

Биологическая роль магния

Участвует в формировании скелета; в работе нервных клеток, усиливает процессы торможения в коре головного мозга; успокаивающе действует на нервную систему. Является катализатором ферментативных процессов. Влияет на обмен углеводов и энергетический обмен. Оказывает антисептическое и сосудорасширяющее действия, понижает артериальное давление и содержание холестерина в крови. Благотворно действует на органы пищеварения: стимулирует выделение желчи; способствует сокращению желчного пузыря; усиливает активность желудка и кишечника; предупреждает рак; восстанавливает седые волосы.

Биологическая роль цинка

Регулирует рост человека, стимулирует деление клеток. Предохраняет печень и желчь от воздействия вредных веществ. Предупреждает диабет (т.к. образует соединения с гормоном инсулином, регулирующим углеводный обмен). Обеспечивает нормальное функционирование органов чувств человека.

Биологическая роль меди

Является составной частью 11 ферментов, необходима для образования гемоглобина, т.к. она активизирует железо, в противном случае оно не может участвовать в образовании гемоглобина. Стимулирует кроветворную функцию костного мозга. Необходима для правильного обмена витаминов групп А, В, С, Е, Р; обладает инсулиноподобным действием и влияет на энергообмен. Необходима для процессов роста и развития, её значительная часть захватывается из материнского организма плодом в период внутриуторобного развития.

Биологическая роль железа

Железосодержащие белки выполняют различные жизненно важные функции: гемоглобин транспортирует кислород от лёгких к тканям всех органов; миоглобин запасает его в мышцах в связанном виде; цитохромы обеспечивают тканевое дыхание. Железо участвует в построении клеточного ядра.

Биологическая роль кальция

Является строительным материалом для образования костей и зубов. Важен для регуляции процессов роста и деятельности клеток всех видов тканей. Влияет на обмен веществ. Необходим для нормальной деятельности мышечной и нервной систем. Обеспечивает нормальную свёртываемость крови. Оказывает протии

вовоспалительное действие. Обеспечивает устойчивость организма к внешним неблагоприятным факторам: резкой смене погоды и инфекциям.

Влияние недостатка и избытка металлов на здоровье человека

Как недостаток, так и избыток металлов в организме отрицательно сказывается на состоянии здоровья человека.

В организме взрослого человека содержится около 100 г натрия. Для восполнения естественной убыли натрия из организма человек ежедневно должен потреблять с пищей 6-8 г NaCl.

Недостаток натрия может наступить при длительной рвоте или поносе, что повлечёт за собой уменьшение объёма крови и низкое артериальное давление. Усвоение натрия снижается при сильном потоотделении (в условиях жаркого климата), а также при больших физических нагрузках.

При из­менении содержания ионов натрия в организме происхо­дят нарушения функций нервной, сердечнососудистой систем, гладких и скелетных мышц.

Избыток ионов на­трия в клетках коры головного мозга вызывает угнетение деятельности ЦНС, т. е. депрессию.Избыток ионов натрия в организме человека чаще всего обусловлен чрезмерным потреблением поваренной соли. Это приводит к нарушению водного обмена, возникают отёки ног и лица, страдает сердце и почки, может развиться гипертония.

При недостатке калия наблюдается мышечная слабость, вялость кишечника, нарушение сердечной деятельности, плохая передача нервных импульсов. Может наступить внезапная смерть при увеличении нагрузок. Снижают усвоение калия мочегонные средства (диуретики).

При избытке калия в организме угнетены основные функции сердца: уменьшение возбудимости сердечной мышцы, урежение ритма сердечных сокращений, ослабление силы сокращений сердца. В больших концентрациях ионы калия вызывают остановку сердца.

От недостатка магния наблюдается ничем необъяснимое чувство внутреннего беспокойства, стресс, нарушение сердечного ритма, мышечное подёргивание, судороги мышц (ночные судороги икроножных мышц), покалывание в кончиках пальцев. Возможны головокружение, шум в голове и ушах, постоянное чувство усталости.

Повышенное содержание ионов магния приводит к нарушению минерального обмена, падению содержания кальция и неорганического фосфора в сыворотке крови и увеличению в ней концентрации ионов магния. С нарушением обмена магния связывают повышенную смертность от сердечно-сосудистых заболеваний и болезней желудочно-кишечного тракта.

Недостаток цинка характеризуется медленным заживлением ран, выпадением волос, ухудшением памяти, снижением внимания, остроты зрения, вкуса, обоняния, бесплодием у мужчин. При дефиците цинка организм легче подвергается таким заболеваниям, как сахарный диабет и язвенная болезнь. Дефицит цинка в последнем периоде беременности матери может способствовать неврологическим аномалиям ребенка.

При тиреотоксикозе увеличивается количество цинка в тканях щитовидной железы. При передозировке цинка наблюдаются приступы слабости, опасность отравления. Цинк – конкурент ряда металлов, например, кальция. В этом случае падает содержание кальция в крови, костях, нарушается усвоение фосфора, в результате развивается остеопороз (ломкость костей). В высоких концентрациях цинк – мутаген и онкоген.

Недостаток меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, заболеванию костной системы, возникновению опухолевых заболеваний. Удаление меди из соединительной ткани вызывает заболевание «красная волчанка».

Избыток меди в различных тканях приводит к тяжёлым и часто необратимым заболеваниям. Накопление меди в печени и мозге приводит к болезни Вильсона (гепатоцеребральная дистрофия).

При недостатке железа возникает заболевание железодефицитная анемия, или малокровие. Признаки заболевания: зеленовато-бледный цвет лица, слабость, головокружение, обмороки, плохой аппетит.

Соединения железа (II) более токсичны, чем соединения железа (III). Вдыхание пыли, содержащей соединения железа, приводит к заболеванию лёгких, сердечно-сосудистой дистонии, к снижению секреции желудка, изменению состава крови, возникновению стоматита, гастрита. Отложение железа в тканях в виде нерастворимого соединения гемосидерина приводит к заболеванию гемосидероз.

Обмен кальция в организме тесно связан с обменом магния, стронция и фосфора. С фосфором кальций «неразлучен», т. к. они являются составной частью костной ткани и тканей мозга. При нарушении фосфорно-кальциевого баланса организм берёт кальций из «костного запаса» – зубов, костей, крупных суставов или строит кости из стронция (отсюда изменения в костях – «наросты»).

Поступление в организм в очень больших дозах сопровождается увеличением содержания кальция в крови, усилением кальцификации и ослаблением регенерации тканей. При этом увеличивается выведение кальция с мочой, что вызывает цистит. Если кальций попадает в организм в виде цементной пыли, то страдают органы дыхания, у детей снижается возбудимость центральной нервной системы и обонятельного анализатора.

Источники поступления металлов в организм человека

Соединения металлов должны поступать в организм в составе натуральных продуктов. Приведём пример продуктов, в составе которых присутствуют основные «металлы жизни» в наибольшем количестве (таблица 2).

Таблица 2 - Источники поступления металлов в организм человека

Название металла	Источники металлов
Натрий	Поваренная соль, петрушка, перловка, рис, пшено, овсянка, картофель, сельдерей, морковь, свёкла, цикорий, горох, фасоль стручковая, морская капуста, раки, крабы, свинина, говядина, яйцо куриное, молоко коровье, креветки, камбала, говяжий мозг
Калий	Чай, соя, какао, отруби пшеничные, бобовые культуры, орехи, сухофрукты, семена, зелень чеснока и черемши, листовые овощи, злаки, грибы, бурый рис, бананы, капуста брюссельская, гранат, ревень, тыквенное и кунжутное масло, морская капуста, манго, виноградный и яблочный сок, цельное молоко, сыр, морская рыба
Магний	Пшеничные отруби, тыквенные семечки, кунжутное семя, миндаль, кедровые орехи, арахис, грецкие орехи, шпинат, фасоль, финики сушёные, семена подсолнечника
Цинк	Говядина, баранина, индейка, свинина, креветки, окунь, килька, минтай, щука, молоко сгущенное, сыр голландский, пармезан, чеддер, творог, яйцо куриное, молоко коровье, козье, горох, крупа овсяная, рис, пшено, соя, фасоль, макароны, мука пшеничная, абрикос, имбирь, банан, базилик, чеснок, петрушка, тыква
Медь	Печень, арахис, фундук, креветки, горох, чечевица, фасоль, гречневая крупа, овсяная крупа, рис, пшеничные изделия, грецкие орехи, фисташки, осьминоги
Железо	Печень свиная, бобы, грибы, пивные дрожи, какао, тыквенные семечки, говядина, зелень, пшеничные зародыши, чечевица, семена подсолнечника, шпинат, топинамбур, ржаной хлеб, морская рыба, сало
Кальций	Сметана, сыр, йогурт, консервированный лосось и сардины, фасоль, чечевица, миндаль, сывороточный протеин, шпинат, капуста, петрушка, укроп, ревень, мука, кукурузная мука, амарант, апельсиновый сок, коровье молоко, инжир,

Заключение

Из всего выше изложенного следует, что металлы играют важней­шую роль в жизнедеятельности организма. В ходе проекта мы изучили содержание металлов в организме человека. В зависимости от массовой доли в организме есть макроэлементы, к которымотносятся 4 «металла жизни»: Са, К, Na, Mg (массовая доля в организме больше 10^-2 %) и микроэлементы(массовая доля в организме меньше 10^-2 %) – остальные металлы.

Раскрывая биологическую роль важнейших «металлов жизни»:кальция, калия, натрия, магния,желе­за, цинка, меди, узнали, что все жизненные процессы протекают в организме при непосредственном участии металлов. В организме металлы находятся как в виде внеклеточных, так и внутриклеточных ионов.Они входят в состав многих гормонов, ферментов, регулирующих обмен веществ, участвуют в формировании скелета, кроветворении.

Как недостаток, так и избыток металлов в организме отрицательно сказывается на состоянии здоровья человека.

Проанализировав состав продуктов, выяснили, что металлы содержатся как в растительной, так и в животной пище. Для поддержания здоровья человека, нужно употреблять разнообразную пищу, богатую как макро-, так и микроэлементами.

Список использованных источников

1. Десять металлов, необходимых живому организму, получили название [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://zodorov.ru/desyate-metallov-neobhodimih-jivomu-organizmu-poluchili-nazvan.html (дата обращения: 22.01.2020).

2. Достоинства и недостатки металлов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://sovet-nso.ru/stati/metallicheskie-konstrukcii/2972-dostoinstva-i-nedostatki-metalla.html (дата обращения: 20.01.2020).

3. Избыток железа в организме причины, признаки и симптомы, лечения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://otravleniy.info/ximicheskie-otravleniya/otravlenie-zhelezom.html (дата обращения: 28.01.2020).

4. Егоров, А.С. Химия внутри нас: Введение в бионеорганическую и биоорганическую химию [Текст] / А.С. Егоров, Н. М. Иванченко, К. П. Шацкая. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2004. – 192 с.

5. Металлы в организме человека [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://kopilkaurokov.ru/himiya/uroki/mietally_v_orghanizmie_chielovieka_konspiekt_uroka (дата обращения: 10.01.2020).

6. Металлы в природе, их биологическая роль [Электронный ресурс]. – Режим доступа: zodorov.ru›metalli-v…ih-biologicheskaya-role.html (дата обращения: 12.01.2020).

7. Польза металла для организма человека [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.vashaibolit.ru/6319-polza-metalla-dlya-organizma-cheloveka.html (дата обращения: 1.02.2020).

8. Пустовалова, Л. М. Основы биохимии для медицинских колледжей [Текст] / Л. М. Пустовалова. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2003. – 448 с.

Код для цитирования: Скопировать