Роль микроэлементов в жизнедеятельности организма человека. Микроэлементы

Термин «микроэлементы» относится к химическим элементам, присутствующим в природном материале в очень небольших количествах. В аналитической химии микроэлемент - это элемент в пробе со средней концентрацией

<100 частей на миллион (ppm) в атомных единицах или <100 мкг / г. В биохимии микроэлемент - это диетический минерал, который необходим в очень незначительных количествах для правильного роста, развития и физиологии организма [1].

Микроэлементы играют несколько важных ролей в организме человека, некоторые из них необходимы для ферментативных реакций, где они привлекают и способствуют превращению молекул субстрата в конкретные конечные продукты. Более того, некоторые из них отдают или принимают электроны в окислительно-восстановительных реакциях, которые имеют первостепенное значение для генерации и использования метаболической энергии. Некоторые из них выполняют структурные функции и отвечают за стабильность важных биологических молекул. Кроме того, некоторые микроэлементы играют важную роль в биологических процессах, например, ирон (Fe), который может связывать, переносить и выделять кислород в организме [2,3]. Фактически, хотя микроэлементы являются важными компонентами биологической активности, чрезмерные уровни этих элементов могут быть токсичными для здоровья организма и могут привести ко многим смертельным заболеваниям, таким как рак. В этой обзорной статье мы опишем свойства и биологическое значение множества микроэлементов.

Zn - химический элемент с символом Zn и атомным номером 30. Это первый элемент 12 группы периодической таблицы. Этот элемент был открыт немецким химиком Андреасом Сигизмундом Маргграфом в 1746 году в Германии [4]. Он имеет атомный вес 65.4. Zn - второй металл, присутствующий в организме человека (около 2,5 г) после Fe (около 4 г), но перед медью (Cu) (около 0,2 г). Он обнаружен во всей системе организма, половина - в мышечной ткани [5]. Установленная рекомендуемая суточная доза (RDA) для Zn составляет 8 мг / день для женщин и 11 мг / день для мужчин [6]. Фактически, Zn содержится в пшенице, коричневом рисе, овсе, чечевице, соевых бобах, сушеном горохе, черноглазом горохе, бобах Лима, грецких орехах, арахисе, кешью, бразильских орехах, многих сырах, любом виде печени и мясе животных, таких как как говядина, баранина, курица, индейка, а также различная рыба и морепродукты. Он также содержится в большинстве витаминно-минеральных добавок в виде сульфата, цитрата или оксида, и это недорогие и биодоступные источники [6-8].

Cu - химический элемент с символом Cu и атомным номером 29. Он находится в верхней части 11-й группы периодической таблицы, над серебром и золотом. Он имеет атомный вес 63,5. Cu - красноватый металл с гранецентрированной кубической кристаллической структурой. Он отражает красный и оранжевый свет и поглощает другие частоты в видимом спектре. Он податлив, пластичен и чрезвычайно хорошо проводит как тепло, так и электричество (уступая только серебру по электропроводности) [19,20]. Открытие Cu относится к доисторическим временам, когда о нем знали некоторые из древнейших известных цивилизаций. Его история использования насчитывает не менее 10 000 лет. Кулон из меди был найден в северном Ираке и датируется 8700 годом до нашей эры [21].

Fe - это химический элемент с символом Fe и атомным номером 26, известный с незапамятных времен. По массе это самый распространенный элемент на Земле, составляющий большую часть внешнего и внутреннего ядра Земли. Это четвертый по распространенности элемент после кислорода, кремния и алюминия соответственно. Он имеет атомный вес 55,8. Fe - самый распространенный металл в организме человека. Содержание Fe в организме составляет примерно 3-4 г, что почти соответствует концентрации 40-50 мг Fe на килограмм массы тела [35]. Установленная суточная суточная норма для Fe для здоровых взрослых людей составляет 8 мг / день в течение мужчины и женщины в постменопаузе и 18 мг / день для менструирующих женщин [36] (это связано с потерей большого количества крови во время месячных).

Mg - это химический элемент с символом Mg и атомным номером 12, имеющий атомный вес всего 24,3. Этот элемент был впервые обнаружен в 1618 году фермером из Эпсома в Англии, когда он попытался дать своим коровам воду из колодца, но сам металл был впервые произведен сэром Хамфри Дэви в Англии в 1808 году [45]. Это девятый по численности элемент во Вселенной [46]. Mg является восьмым по содержанию минералом на Земле и третьим по содержанию в морской воде после натрия и хлор. Что еще более важно, это четвертый по распространенности минерал в организме человека, и он необходим в более чем 300 реакциях организма, в организме человека содержится примерно 25 г Mg [26].

Mn представляет собой химический элемент с символом Mn и атомным номером 25 и имеет атомный вес 54,9. Mn - 12-й элемент земной коры по распространенности со средней концентрацией 0,1%. Mn - это металл, который в основном используется со сплавами, особенно с нержавеющими сталями. Впервые он был признан и выделен как отдельный химический элемент в 1774 году шведским химиком Йоханом Готлибом Ганом [59].

Ni - химический элемент с символом Ni и атомным номером 28. Ni - серебристо-белый металл, твердый, ковкий и пластичный металл. Он относится к группе Fe и является довольно хорошим проводником тепла и электричества. Он имеет атомный вес 58,7. Ni - это природный элемент, который присутствует в почве, воде, воздухе и биологических материалах. Он является естественным компонентом земной коры и присутствует в магматических породах [71]. Природные источники никеля включают пыль от вулканических выбросов и выветривания горных пород и почв [72].

Неорганические удобрения, особенно фосфорные удобрения, содержат различные уровни никеля [73]. Ni был открыт шведским химиком Акселем Фредериком Кронштедтом в минерале никколите в 1751 году [74]. Сегодня известно, что наиболее важное применение никель - это производство сплавов, особенно нержавеющей стали.

Cr - химический элемент с символом Cr и атомным номером 24. Это стально-серый, блестящий, твердый и хрупкий металл [86]. Он имеет атомный вес 52,0. В 1797 году оксид хрома был открыт французским фармацевтом и химиком Луи Николя Воклен. В следующем 1798 году Воклен обнаружил, что может изолировать металлический хром, нагревая оксид в угольной печи, что сделало его первооткрывателем этого элемента [87].

Cr - это микроэлемент, который человеку требуется в следовых количествах. Он находится в основном в двух формах: трехвалентном (хром III), который является биологически активным и содержится в пищевых продуктах, и шестивалентном (хром VI), токсичной форме, которая возникает в результате промышленного загрязнения [88]. В 2001 году были установлены рекомендуемые нормы потребления хрома. Достаточное потребление хрома составляет 35 мг / день для взрослых мужчин и 25 мг / день для взрослых женщин [36]. Cr широко распространен в пищевых продуктах, но большинство продуктов содержат его лишь в небольших количествах. Он содержится в яичных желтках, цельнозерновых продуктах, хлопьях для завтрака с высоким содержанием отрубей, кофе, орехах, зеленой фасоли, брокколи, мясе и пивных дрожжах [89,90].

Co - это химический элемент с символом Co и атомным номером 27. Он имеет атомный вес 58,9. Ко был впервые открыт в 1739 году шведским химиком Георгом Брандтом. Co - твердый, блестящий, свежий, голубовато-серый металл. Это очень стабильный металл, на который не влияет ни воздух, ни вода. Co - один из трех магнитных минералов (помимо Fe и никеля), которые часто используются в магнитных сплавах. Он имеет широкое промышленное применение. Он используется в красках и красителях, где он использовался со времен средневековья для производства стекла синего цвета (смальты) [97]. Радиоактивный аналог Co-60 является мощным источником гамма-излучения, который используется в медицинских целях, например, для радиотерапии и борьбы с раком. Он также используется для стерилизации предметов медицинского назначения и медицинских отходов [98].

Pb представляет собой химический элемент с атомным номером 82 и символом Pb и имеет атомный вес 207,2. Pb - мягкий, податливый и тяжелый металл. Это голубовато-белый металл, но на воздухе он тускнеет до тускло-серого цвета. Pb является относительно инертным металлом и имеет слабый металлический характер с амфотерной природой, где свинец и его оксиды реагируют как с кислотами, так и с основаниями [102]. Pb имеет несколько полезных механических свойств для использования в промышленности, включая высокую плотность, низкую температуру плавления, пластичность и устойчивость к коррозии. Одним из недостатков использования свинца является его высокая токсичность [103]. Фактически, свинец был используется для пуль с момента их изобретения в средние века. Его высокая плотность и устойчивость к коррозии использовались в ряде связанных приложений. Он используется в качестве балласта в килях парусных лодок, а также в качестве защитной оболочки для подводных кабелей на морском дне [104,105].

Se представляет собой химический элемент с символом Se и атомным номером 34 и имеет атомный вес 78,97. Он был открыт шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом в 1817 году. Он принадлежит к 16-й группе периодической таблицы и имеет промежуточные свойства между серой и теллуром. Se является важным микроэлементом для животных и растений. Содержание селена в организме человека составляет около 13-20 мг. Это жизненно важный минерал, рекомендуемая суточная норма составляет около 70 мкг / день. Лучшими источниками селена являются морепродукты, мясо, цельнозерновые продукты и некоторые овощи. Было обнаружено, что сырые продукты содержат значительно больше селена, чем приготовленные и обработанные пищевые продукты [26,109].

После кислорода кремний - самый распространенный элемент на земле. В виде кремнезема кремний содержится во всех растениях. Они поглощают его из почвы и используют при строительстве прочной основы для своих клеток. Твердость, эластичность и прочность стеблей растений зависят от содержания в них кремнезема. Кремний в виде кремнезема содержится в организме морских животных, пресноводных рыб, птиц и млекопитающих. Кремний содержится постоянно в курином яйце. Общее содержание кремнезема в теле человека - около 0,001%, среднее содержание SiO2 в крови человека составляет от 5,9 до 10,6 мг в 1 мл. В организме человека кремний обнаружен во всех органах и тканях: в легких, в волосах, гладких мышцах желудка, в надпочечниках, в фибрине, в цельной крови. Кремнезем необходим для прочности и эластичности эпителиальных и соединительно-тканных образований. Эластичность кожи, сухожилий, стенок сосудов обусловлена в значительной степени содержащимся в них кремнием. 

Общее содержание кальция в организме человека составляет примерно 1,9% общего веса человека, при этом 99% всего кальция приходится на долю скелета и лишь 1% содержится в остальных тканях и жидкостях организма. Кальций в пище, как растительной, так и животной, находится в виде нерастворимых солей. Всасывание их в желудке почти не происходит. Абсорбция кальциевых соединений происходит в верхней части тонкого кишечника, главным образом в 12-перстной кишке. Здесь на всасывание оказывают большое влияние желчные кислоты. Физиологическая регуляция уровня кальция в крови осуществляется гормонами паращитовидных желез и витамином D через посредство нервной системы.

Общее содержание калия калия в организме человека составляет примерно 250г. Калию свойственна способность, разрыхлять клеточные оболочки, делая их проницаемыми для прохождения солей. Калий необходим для ясности ума, избавления от шлаков, лечения аллергии.

Недостаток калия проявляется:

Замедлением роста организма и нарушением половых функций, вызывает мышечные судороги, перебои в работе сердца. При применении внутрь даже больших доз калия, его токсическое действие не проявляется за исключением случаев почечной недостаточности.

Избыток калия может привести к дефициту кальция (Ca). 

Содержание Калия в продуктах:

Мясо, чернослив, арбуз, кукуруза, семена подсолнечника и тыквы, бобовые, пшенная крупа, петрушка, цитрусовые, пшеничные отруби зародыши, пивные дрожжи. Томаты, рис, морковь, орехи, какао, творог, укроп, рябина, тыква, крапива, чай черный.

 

Незаменимые микроэлементы играют важную роль в качестве кофактора некоторых ферментов, участвующих в метаболизме и росте клеток, большинство из которых участвует в метаболизме белков, углеводов, липидов и энергии. Они также необходимы для роста, развития, функционирования мышц и нервов, нормального функционирования клеток и синтеза некоторых гормонов и соединительной ткани.

Роль микроэлементов в биологической переработке может дать важный ключ к пониманию этиологии некоторых заболеваний, таких как рак. Способность микроэлементов оказывать существенное влияние на различные процессы, необходимые для жизни, такие как регулирование гомеостаза и предотвращение повреждения свободными радикалами, может дать ответ на определенную корреляцию между содержанием микроэлементов и многими распространенными заболеваниями. В последние десять лет исследования были в значительной степени сосредоточены на определении уровней микроэлементов у больных раком, как попытка понять природу взаимоотношений между раком и микроэлементами. Таким образом, ожидаемая роль микроэлементов позволит понять этиопатогенез рака и обеспечить возможность быстрой диагностики, а также создать эффективные методы лечения.