Какие химические элементы содержаться в организме человека

Общее значение для организма

Основная функция, выполняемая макроэлементами, состоит в построении тканей и поддержании осмотического давления. Микроэлементы входят в гормональный состав, в витамины и биологически активные вещества, могут выступать в роли активаторов и запускать жизненно важные процессы в организме. К основным действиям относятся:

1. Обмен веществ.
2. Процесс размножения.
3. Тканевое дыхание.
4. Обезвреживание химических вредных веществ.

Микроэлементы также влияют на кровь, очищают сосуды и делают их шире. Благодаря восстановлению проницаемости в тканях и сосудах можно предотвратить инфаркт, инсульт и бороться с проблемами сердца. Макро- и микроэлементы формируют основу организма — скелет — и принимают участие в укреплении зубной эмали. Эти функции выполняются благодаря магнию, кремнию, фтору, кальцию, фосфору, йоду и алюминию.

На содержание элементов в организме влияет биологический возраст человека: чем он старше, тем полезных веществ внутри меньше. Пополнить запасы можно с помощью приёма специальных витаминных комплексов или добавок. Учёными обнаружено немало заболеваний, которые связаны с уменьшением количества полезных веществ. Например, дефицит фтора может вызывать проблемы с зубами и развитие кариеса, дефицит йода приводит к проблемам со щитовидной железой, а избыток молибдена указывает на эндемическую подагру.

Организм является сложной многоуровневой структурой, в которой все процессы не только взаимосвязанны, но и имеют норму, нарушение которой приводит к ухудшению самочувствия и возможным проблемам. Благодаря балансу оптимальных концентраций, так называемому химическому гомеостазу, человек ощущает, всё ли в порядке с организмом. Специалисты выделяют основу организма, к этим микроэлементам относятся:

1. Углерод.
2. Водород.
3. Азот.
4. Кислород.
5. Сера.
6. Фосфор.

Это органический «скелет» для функционирования организма, благодаря которому человек может двигаться, дышать и активно функционировать. Дополнительно нужны и неорганические элементы, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность.

При недостатке в питании железа, хрома, цинка, йода, кальция, магния и фосфора могут возникать серьёзные проблемы и заболевания.

Варианты применения

Биологическая роль химических элементов огромная, ведь они могут применяться не только в виде добавок для организма, но и в сельском хозяйстве. Даже незначительное добавление в почву полезных элементов существенно увеличивает уровень плодородия. Микроэлементы могут увеличивать активность ферментов внутри растений и активно способствуют синтезу белков. Это повышает урожайность и качество выращиваемых культур.

А также микроэлементы добавляют в корм животным, чтобы улучшить их характеристики и повысить уровень продуктивности. Соединения могут применяться как лекарственные препараты. Активное изучение биологического значения химических элементов, их возможной взаимосвязи с другими веществами позволяет создавать препараты и средства, помогающие бороться с болезнями или снимающие симптоматику. Они используются как с лечебной, так и с профилактической целью.

Периодический закон Менделеева находится в основе изучения свойств и реакций химических элементов: в зависимости от положения в периодической системе элементы могут обладать разными качествами, которые проявляются в большей или меньшей мере. Увеличение заряда атома увеличивает активность и токсичность элементов и влияет на уменьшение их в организме.

Химики объясняют уменьшение количества таких веществ внутри человеческой системы тем, что они плохо усваиваются организмом и практически не расщепляются на полезные элементы. Но лёгкие элементы в организме могут содержаться в больших количествах. Благодаря им возможно соединение и формирование новых соединений, которые используются для выполнения ряда функций и жизнедеятельности системы. К жизненно необходимым можно отнести элементы, находящиеся в четвёртом периоде:

• марганец;
• железо;
• цинк;
• медь.

Элементы пятого и шестого периода не обладают полезными для человеческого организма свойствами. Но молибден в составе окислительно-восстановительных ферментов может активно влиять на биохимические процессы в организме.

Влияние химических элементов может быть как положительным, так и негативным, в зависимости от сочетания с другими и количеством соединений.

Токсичность некоторых элементов

Оценка состояния окружающей среды состоит из детального анализа тех факторов, что имеют ключевое влияние на формирование проблемы. Учёным тяжело провести черту между природным и антропогенным влиянием, но деятельность человека здесь занимает одну из ключевых позиций. Хотя, на первый взгляд, может казаться, что воздействие на природу людьми достаточно невелико, и все процессы легко предотвратить, но на самом деле вред будет заметен уже через десятки, а то и сотни лет.

На ход химических превращений, что приводят к образованию токсических веществ, влияют климатические условия, деятельность разных форм жизни, состояние почвы, вода и воздух. Для решения проблемы нужно детально анализировать все данные и наблюдать за изменениями биосферы и содержанием в ней разных химических элементов и их соотношения. Благодаря экологическому мониторингу можно раскрыть биологическую роль элементов и выделить основные факторы влияния на окружающую среду.

Например, загрязнение тяжёлыми металлами имеет отношение к эколого-аналитическому мониторингу супертоксикантов, ведь большинство из них проявляют высокую токсичность и способность концентрироваться в живых организмах. Все источники загрязнения можно поделить на природные и искусственные или антропогенные.

К естественным (природным) можно отнести извержение вулканов, лесные пожары или разрушение степей, к антропогенным относятся загрязнения природы выбросами из фабрик и заводов, большое количество использованного пластика и вредные химические соединения, которые появляются в результате разложения разных элементов, ранее использованных человеком.

Главными и наиболее опасными источниками загрязнения природы являются антропогенные. С помощью макроэлементтера можно определить количество того или иного химического состава внутри почвы и определить возможный вред для окружающей среды.

Изучение тяжёлых металлов и их биохимических циклов показывает их двойственную роль в природе: с одной стороны, они положительно сказываются на конкретном организме, увеличивая его характеристики и качество, а с другой — могут нанести вред окружающей среде при высоком содержании в почвах. В докладах и рефератах на тему минеральных веществ можно кратко ознакомиться с этой проблемой и почитать о вариантах её решения.

Микронутриенты и восстановление

При нехватке макроэлементов в организме начинаются проблемы и нарушение функциональности, а поскольку это многоуровневая сложная система, внутренние нарушения тянут за собой внешнее выражение. Для пополнения химическими элементами можно использовать 2 пути: медикаментозный (приём витаминных добавок и БАДов) и натуральный (наполнение рациона полезными веществами и витаминами, которые находятся в овощах и фруктах).

К сожалению, приём витаминов не гарантирует стопроцентного усвоения полученных элементов: только 15% от всех полезных веществ перерабатываются в организме, остальные выводятся естественным путём. А вот натуральный путь более эффективный, но требует регулярности и тщательного изучения потребности в конкретных элементах.

Диетологи с химиками разработали специальные таблицы, в которых указывается необходимое количество макроэлементов для организма с вычетом суточной нормы и указание, в каких продуктах находятся эти элементы в достаточном количестве. Для восполнения баланса йода диетологи советуют употреблять больше зелени, латука, салата и морской капусты. Из ягод большим запасом этого элемента обладает клубника.

Кальций содержится в молочных продуктах, петрушке и вяленой рыбке. Для пополнения баланса железа нужно употреблять мясо (это также запас белка), печень, бобовые и разные каши. Запасы магния находятся в шоколаде, семечках, яблоках и моркови, а цинка — в курице, картофеле, зелёных овощах и цитрусовых.

Чтобы выглядеть красиво и при этом хорошо себя чувствовать, достаточно правильно составить режим питания и включить в него необходимые для нормального функционирования продукты. Регулярное употребление свежих овощей и фруктов подарит не только заряд бодрости, но и пополнит запас макро- и микроэлементов для нормальной жизнедеятельности.

Существую различные классификации химических элементов, содержащихся в организме человека. Так В.И. Вернадский в зависимости от среднего содержания (массовой доли ω, %) в живых организмах делил элементы по декадной системе.

Соответственно этой классификации элементы, содержащиеся в живых организмах, делятся на три группы:
•Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10 х(-2) %. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор.
•Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10 х(-3) до 10 х(-5) %. К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт.
•Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10 х(-5) %. К ним относятся ртуть, золото, уран, торий, радий и др.

В настоящее время в литературе ультрамикроэлементы объединены с микроэлементами в одну группу.

Уточненные данные содержания химических элементов в организме человека:
•массовая доля (ω) 10 и более % – O (62%), C (21%), H (10%);
•массовая доля (ω) 1 – 10 % – N (3%), Ca (2%), p (1%);
•массовая доля (ω) 0,01 – 1 % – K (0,23%), S (0,16%), Cl (0,1%), Na (0,08%), Mg (0,027%), Fe (0,01%);
•массовая доля (ω) 10x(-3) – 10x(-2) % – Zn, Sr;
•массовая доля (ω) 10x(-4) – 10x(-3) % – Cu, Co, Br, Cs, Si;
•массовая доля (ω) 10x(-5) – 10x(-3) % – I;
•массовая доля (ω) 10x(-5) – 10x(-4) % – Mn, V, B, Cr, Al, Ba;
•массовая доля (ω) 10x(-6) – 10x(-3) % – Mo, Pb, Ti;
•массовая доля (ω) 10x(-7) – 10x(-4) % – Be, Ag;
•массовая доля (ω) 10x(-6) – 10x(-5) % – Ni, Ga, Ge, As, Hg, Bi ;
•массовая доля (ω) 10x(-7) – 10x(-5) % – Se, Sb, U;
•массовая доля (ω) 10x(-7) – 10x(-6) % – Th;
•массовая доля (ω) 10x(-12) – 10x(-4) % – Ru.

Однако в этой классификации отражено только содержание элементов в живых организмах, но не указывается биологическая роль и физиологическое значение того или иного элемента.

В.В. Ковальский, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил химические элементы на 3 группы:
•Жизненно необходимые (незаменимые) элементы. Они постоянно содержаться в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов: H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека.
•Примесные элементы. Эти элементы постоянно содержаться в организме животных и человека: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.
•Примесные элементы (Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др.). Обнаружены в организме человека и животных. Данные о количестве и биологическая роль не выяснены.

!!! Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов, называют биогенными элементами.

Точно перечислить все биогенные элементы еще невозможно из-за сложности определения очень низких концентраций микроэлементов и установления их биологических функций. Для 24 элементов биогенность установлена надежно. Это элементы 1-й и некоторые элементы 2-ой групп по Ковальскому.

Топография важнейших биогенных элементов в организме человека

Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, то есть микро- и макроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов накапливается в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основным депо (запасником) для многих микроэлементов.

Микроэлементы могут проявлять специфическое родство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод – в щитовидной, фтор – в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден – в почках, олово – в тканях кишечника, стронций – в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром – в гипофизе и т.д.

В организме микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что кремний, алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец – в ионном виде.

Кислород и водород – макроэлементы. Они входят в состав воды, которой в организме взрослого человека в среднем содержится около 65%. Вода неравномерно распределена по органам, тканям и биологическим жидкостям человека. Так в желудочном соке, слюне, плазме крови, лимфе вода составляет от 90 до 99,5%. В моче, сером веществе головного мозга, почках – 80%. В белом веществе головного мозга, печени, коже, спинном мозге, мышцах, легких, сердце – 70-80%. Меньше всего – 40% воды содержится в скелете.

Макроэлементы – углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор – входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Содержание углерода в белках составляет от 51 до 55%, кислорода – от 22 до 24%, азота – от 15 до 18%, водорода – от 6,5 до 7%, серы – от 0,3% до 2.5%, фосфора – около 0,5%.

О содержании белков в различных тканях и органах животных и человека, а следовательно и о примерном содержании элементов С, Н, N, S, P можно судить на основании следующих данных:
•массовая доля белка (%) в селезенке – 84;
•массовая доля белка (%) в легких – 82;
•массовая доля белка (%) в мышцах – 80;
•массовая доля белка (%) в почках – 72;
•массовая доля белка (%) в сердце – 60;
•массовая доля белка (%) в печени – 57;
•массовая доля белка (%) в головном мозге – 45;
•массовая доля белка (%) в кишечнике – 63;
•массовая доля белка (%) в коже – 63;
•массовая доля белка (%) в костях – 28;
•массовая доля белка (%) в зубах – 24.

Как следует из этих данных, максимальное количество белков (примерно 80%) содержится в селезенке, легких, мышцах, минимальное (примерно 25%) – в костях и зубах.

Углерод, водород и кислород входят также в состав углеводов, содержание которых в тканях животных невелико – примерно 2%. Эти элементы входят в состав липидов (жиров). Кроме того в состав фосфолипидов входит фосфор в виде фосфатных групп. В наибольшей степени липиды концентрируются в головном мозге (12%), а затем в печени (5%), молоке (2-3%) и сыворотке крови (0,6%). Однако основное количество фосфора – 600 г – содержится в костной ткани. Это составляет 85% от массы всего фосфора, находящегося в организме человека. Концентрируется фосфор и в твердых тканях зубов, в состав которых он входит вместе с кальцием, хлором, фтором в виде гидроксил-, хлор-, фторапатитов общей формулы Ca5(PO4)3X, где Х = ОН, Cl, F соответственно.

Кальций преимущественно концентрируется в костной ткани, а также и в зубной ткани. Натрий и хлор в основном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний – аво внутриклеточных. В виде фторидов натрий и калий входят в состав костной и зубной ткани. Магний в виде фосфата Mg3(PO4)2 содержится в твердых тканях зуба.

!!! Десять металлов, жизненно необходимых для организма, получили название «металлы жизни».

Так, установлено, что в организме человека массой 70 кг содержание «металлов жизни» составляет (в г):
•кальция – 1700;
•калия – 250;
•натрия – 70;
•магния – 42;
•железа – 5;
•цинка – 3;
•меди – 0,2;
•марганца, молибдена и кобальта, вместе взятых – менее 0,1.

В теле взрослого человека содержится около 3 кг минеральных солей, причем 5/6 этого количества (2,5 кг) приходится на долю костной ткани.

Некоторые макроэлементы (магний, кальций) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами – аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т.д. Так, ион Fe2+ в качестве комплексообразователя входит состав гемоглобина, Co2+ – в витамин В12, Mg2+ – в хлорофилл. Известны многочисленные биокомплексы и других элементов (Cu, Zn, Mo и др.), играющие важную биологическую роль в организме.

На изменение содержания в организме химических элементов влияют различные заболевания. Так, при рахите происходит нарушение фосорно-кальциевого обмена, что приводит к снижению содержания кальция в костной ткани. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена уменьшается содержание кальция, натрия, хлора и повышается содержание магния, калия в организме. В поддержании определенного содержания макро- и микроэлементов в организме участвуют гормоны.