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 кровʼяному 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 зʼясована 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 обʼємом) створює необхідний для насиче­н­ня крові й тканин парціальний тиск. Зниже­н­ня обʼємної частки O₂ до 16–18 % не небезпечно. При знижен­ні обʼємної частки O₂ до 14 % зʼявляються 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.

Літ.: L. Wackett, A. Dodge, L. Ellis. Microbial Genomics and the Periodic Table // Applied and Environmental Microbiology. 2004. Vol. 70. Iss. 2; Погорєлов М. В., Бумейстер В. І., Ткач Г. Ф. та ін. Макро- та мікро­елементи (обмін, патологія та методи ви­значе­н­ня). С., 2010; C. Starr, B. McMillan. Human Biology. Boston, 2014; Левітін Є. Я., Ведерникова І. О., Коваль А. О., Криськів О. С. Біо­активність неорганічних сполук. Х., 2017; M. Zoroddu , J. Aaseth, G. Crisponi et al. The essential metals for humans: a brief overview // Journal of Inorganic Biochemistry 2019. Vol. 195; Калібабчук В. О., Чекман І. С., Галинська В. І. та ін. Медична хімія. К., 2018; Матасар І., Мойсеєнко В., Петрищенко та ін. Есенціальні мінеральні речовини як засоби корекції харчового статусу населе­н­ня, яке мешкає на територіях, за­бруднених внаслідок аварії на ЧАЕС // Актуальні про­блеми нефрології. 2021. № 29.

В. Ф. Осташко

Завантажити статтю