Мікроелементи і макроелементи

Визначення і загальна характеристика

МІ́КРО- І МАКРОЕЛЕМЕ́НТИ (від мікро... і макро..., лат. elementum — стихія, первинна речовина) — хімічні елементи, що наявні в організмі у низьких (від 0,001 до 0,000000000001 %) та високих концентраціях. Саме це визначає їхні назви: слідові елементи — у німецькій та англійській мовах, олігоелементи — у французьких авторів, розсіяні елементи — у працях В. Вернадського. Єдиною характерною ознакою мікро­елементів, що відрізняє їх від макроелементів, є низька концентрація їх в органах тіла. Існують різні класифікації хімічних елементів, притаманних людині. Частина дослідників надає перевагу назві «біологічно значущі елементи» (на противагу «біологічно інертним елементам»), вказуючи на те, що це хімічні елементи, необхідні живим організмам для забезпечення нормальної життєдіяльності.

Елементи, що забезпечують життєдіяльність організму людини, класифікують за різними ознаками — вмістом в організмі, ступенем необхідності, біологічною роллю, тканинною специфічністю тощо. За вмістом в організмі людини їх поділяють на макроелементи (понад 0,01 % маси тіла), мікроелементи (від 0,009 до 0,00001 %), ультрамікроелементи (менше 0,000001 %; див. Табл.).

Окремі дослідники поділяють ці групи за іншими концентраціями. Іноді ультрамікроелементи не відокремлюють від мікроелементів. Деякі сучасні класифікації передбачають поділ мікроелементів за такими ознаками:

за життєвою необхідністю: 1) есенціальні (життєво необхідні) — Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Se, Mn; 2) умовно-есенціальні — As, В, Br, F, Li, Ni, V, Si; 3) токсичні — Al, Cd, Pb, Hg, Be, Ba, Vi, Tl; 4) потенційно токсичні — Ge, Au, In, Rb, Ag, Ti, Ті, U, W, Sn, Zr;

за імуномодулювальним ефектом: 1) імуноесенціальні (необхідні для імунної системи) — Fe, I, Сu, Zn, Co, Cr, Mo, Se, Mn, Li; 2) імунотоксичні — Al, As, В, Ni, Cd, Pb, Hg, Be, Vi, Tl, Ge, Au.

В основі розподілу мі­кроелементів в органах тіла лежить їх фізіологічне значення, а також особливості кровопостачання організму. У головному мозку активну участь у складних біохімічних процесах беруть: мідь, марганець, алюміній, кремній, титан, срібло. У щитоподібній залозі зосереджена половина йоду всього організму, крім того, у ній також концентрується бром, кобальт, арсен, ртуть, мідь, свинець, фтор, цинк, титан. У підшлунковій залозі — цинк, кобальт, нікель, арсен, йод, молібден, кремній, марганець, олово, хром, свинець. Печінка є основним «сховищем» мінеральних речовин; вона сприяє стабільному їх рівневі в кров’яному руслі. Водночас печінка — той (єдиний) орган, що виводить мікроелементи з організму. Мікроелементи входять до складу ферментів (відомо бл. 200 металоферментів): Zn — до карбоангідрази, Cu — до поліфенолоксидази, Mn — до аргінази, Mo — до ксантиноксидази; вітамінів: Co — до складу вітаміну B12; гормонів: I — до тироксину, Zn і Co — до інсуліну; дихальних пігментів: Fe — до гемоглобіну та інші залізовмісних пігментів, Cu — до гемоціаніну. Деякі з них впливають на здатність до росту (Mn, Zn, I), розмноження (Mn, Zn), кровотворення (Fe, Cu, Co), на процеси дихання тканин (Cu, Zn), внутрішньо-клітинного обміну тощо. Для низки мікроелементів (Sc, Zr, Nb, Au, La та ін.) достовірно не відома їхня кількість у тканинах, органах і не з’ясована біологічна роль.

Джерело надходження мікроелементів до організму — продукти харчування (натомість органічні нутрієнти здатні ще й синтезуватися завдяки біохімічним процесам). Питна вода забезпечує 1–10 % добової потреби в I, Cu, Zn, Mn, Co, Mo, і лише для F, Sr є головним джерелом. Надходження мікроелементів до організму залежить від розмаїття раціону харчування та гео­хімічних особливостей місцевості, де продукти харчування було отримано. Дефіцит мікро- і макроелементів або їх надлишок здатні спричиняти ті чи інші розлади.

Причиною ендемічних захворювань людини є: I (йод), нестача якого сприяє поширенню ендемічного зоба, і F (фтор), при надлишку якого виникає флюороз, а при недостатності — карієс. Для F визначальним джерелом надходження в організм є вода, для I — молоко й овочі. Основним «постачальником» у раціон більшості інших найважливіших мікроелементів є хлібопродукти. З віком вміст багатьох мікроелементів (Al, Ti, Cl, Pb, F, Sr, Ni) в організмі збільшується, у період росту й розвитку це наростання йде швидко, а до 15–20 р. сповільнюється або припиняється. Вміст Co, Cu, Ni в крові й Sr у скелеті у 50–60 р. стає нижчим, ніж у 20–25 р. У клінічній медицині в боротьбі з деякими видами анемій ефективно застосовують препарати, що містять Co, Fe, Cu, Mn, а також Br і I. Успішно застосовують методи йодування солі й хліба для профілактики ендемічного зоба, фторування води для зниження захворюваності на карієс. У випадках, коли F у природних водах забагато, експлуатуються дефторуючі установки.

Мікроелементози — захворювання й синдроми, у генезі розвитку яких лежать недостатність або надлишок мікроелементів, їхній дисбаланс, аномальне співвідношення макро- і мікроелементів. Розвитку різних мікроелементозів у сучасних умовах сприяє техногенне забруднення довкілля. У безпосередній близькості від багатьох промислових підприємств утворюються зони з підвищеним вмістом Pb, As, Hg, Cd, Ni та ін. токсичних мікроелементів. Визначити стан обміну хімічних елементів в організмі й токсичний вплив на нього окремих важких металів можна за вмістом у крові, волоссі, слині, шлунковому соку, сечі. Для цього використовують сучасні аналітичні методи (атомно­емісійна- й мас-спектрометрія, атомно-абсорбційна спектрофотометрія тощо). Останнім часом дедалі більше зацікавлення викликає дослідження волосся, оскільки вміст мікроелементів у ньому відображає елементний статус усього організму та є інтегральним показником мінерального обміну. За допомогою плазмово-спектрометричного аналізу волосся можна визначити схильність організму до тих або інших відхилень, захворювань.

Зі 118 нині відомих хімічних елементів періодичної системи в організмі людини виявлено 94. Із них 86 наявні постійно, серед яких 25 — необхідні для нормальної життєдіяльності. При перевищенні кількості елемента на 2–10 % його вважають макроелементом. Найбільше в організмі міститься таких макроелементів: кисню — 65 %, вуглецю — 18 %, водню — 10 %, нітрогену — 3 %. Ці макроелементи називають органогенними, або макронутриєнтами; переважно з них побудовані білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти тощо. До інших макроелементів належать: калій — 0,35 %, кальцій — 2 %, магній — 0,05 %, натрій — 0,15 %, сірка — 0,25 %, фосфор — 1,1 %, хлор — 0,15 %. При середній масі тіла людини 70 кг в її організмі міститься (у грамах): кальцію — 1700, калію — 250, натрію — 70, магнію — 42, заліза — 5, цинку — 3. Н, С, О, N, частка яких становить 96 % маси живої речовини, й Ca, Р, К, Na, Mg, S, Cl становлять 10–20 % і більше маси тіла. Макроелементи сконцентровані, зазвичай, в одному типі тканин тіла.

Вміст макроелементів в організмі досить постійний, але навіть порівняно великі відхилення від норми сумісні з життєдіяльністю людини. Макроелементи здебільшого належать органічним сполукам. Водень (H) у природі виявляють переважно у вигляді сполук; він є складовою всіх біологічних речовин (амінокислот, білків, вітамінів, гормонів), води. Рівень іонів водню визначає кислотність середовища. Нітроген (N) присутній у складі амінокислот, пептидів, пуринів, що входять до складу ДНК. Кисень (O) входить до складу білків, жирів, вуглеводів, без нього неможливе дихання, окиснення амінокислот, жирів, вуглеводів. У фагоцитах кисень відновлюється до супероксидіону, що ініціює окиснення сторонніх органічних речовин, захоплених фагоцитами. Нормальний вміст кисню в повітрі (≈21 % за об’ємом) створює необхідний для насичення крові й тканин парціальний тиск. Зниження об’ємної частки O₂ до 16–18 % не небезпечно. При зниженні об’ємної частки O₂ до 14 % з’являються ознаки кисневої недостатності, а зменшення до 9 % небезпечне для життя. Карбон (C) за своїм значенням для живих організмів є основним органогеном. Натрію гідрокарбонат входить до однієї з буферних систем організму (рН 7,8–8,0), що, наприклад, у жовчі створює лужне середовище, яке сприяє гідролізу жирів. K, Na, Ca, P, Mg, S, Cl надходять в організм із водою, їжею та відіграють провідну роль у регулюванні водно-сольового, білкового, вуглеводного й жирового обмінів, підтримці кислотно-лужної рівноваги, функції клітинних мембран, передачі нервових імпульсів тощо.

Завантажити статтю