Новая классификация биоэлементов в биоэлементологии Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 577.11

Новая классификация биоэлементов в биоэлементологии

Полянская Ирина Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры общей и прикладной химии

e-mail: [email protected]

ФГБОУ ВПО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина»

Аннотация: предлагается новая классификация биоэлементов на макро-,

милли-, микро-, нано-элементы с учетом их содержания в биологически важнейших средах (например, по среднему содержанию в крови или женском молоке). По мнению автора, переход к классификации биоэлементов с учетом действительного значения латинских приставок позволил бы не только называть вещи своими именами, но и систематизировать величины гигиенических рекомендаций содержания этих элементов в продуктах питания и пищевых добавках.

Ключевые слова: биоэлементы, микроэлементы, макроэлементы, милиэле-менты, наноэлементы, нутрициологическая химия элементов, элементология, дис-элементозы.

«В каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы периодической системы» Вальтер и Ида Ноддак, 1935

«В живом организме не только присутствуют все элементы, но каждый из них выполняет какую-то функцию»

Вернадский В.И., 1937

Биоэлементы - (от греч. bios - жизнь) - это элементы, постоянно входящие в состав организма, необходимые для его жизнедеятельности и проявляющие биологические свойства [1, 2, 3].

Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода. Организм состоит из воды на 60 %, 34 % приходится на органические вещества, 6 % - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются С, Н, О. B их состав входят также N, Р, S.

В составе неорганических веществ обязательно присутствуют 70 элементов, а возможно, и все химические элементы периодической системы.

Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нем содержится (в граммах): Са - 1700, К - 250, Na - 70, Mg - 42, Fe - 5, Zn - 3. На долю металлов приходится 2,1 кг. Содержание в организме элементов IIIA-VIA групп, ковалентносвязанных с органической частью молекул, уменьшается с ростом заряда ядра атомов данной группы периодической системы Д.И. Менделеева. Например, массовые доли (в %) элементов в организме взрослого человека подчиняются выражению: ш(О) > w(S) > w(Se) >w(Fe). Количество элементов, находящихся в организме в виде ионов (s-элементы IA, IIA групп, р-элементы VIIA группы), с ростом заряда ядра атома в группе увеличивается до элемента с оптимальным ионным радиусом, а затем уменьшается. Например, во IIA группе при переходе от Be к Са содержание в организме увеличивается, а затем от Ва к Ra снижается [2]. Элементы-аналоги, имеющие близкое строение атомов, имеют много общего в биологическом действии. Ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне.

Поступая извне с пищей, водой и воздухом, биоэлементы усваиваются и распределяются в клетках и биологических средах организма. В составе живого организма химический элемент приобретает особые свойства, которыми этот же элемент, находясь в «неживой» природе, не обладает.

«Биоэлемент» - краткий и емкий и обоснованный термин, который входит в научный обиход. Частичка «био» в названии биоэлемент - это не сокращение терминов «биотический», «биогенный» или «биологический», а именно «био...» в смысле «имеющий отношение к живому».

В свою очедь, биоэлементный состав - содержание биоэлементов в организме, который характеризуется постоянством и динамическим равновесием в содержании отдельных биоэлементов относительно друг друга (биоэлементным гомеостазом).

Дисэлементоз (биоэлементоз) - это нарушение биоэлементного состава организма (избыток, дефицит, дисбаланс биоэлементов). Дисэлементоз - одно из проявлений болезни - жизни, нарушенной в своем течении повреждением структуры или функций организма под влиянием внешних и внутренних факторов. Практически все хронические заболевания являются причиной, проявлением или следствием дисэлементозов.

Определение биоэлементологии формулируют следующим образом:

Биоэлемтология - научно-практическое направление, изучающее состав, содержание, связи и взаимодействие элементов в живых организмах.

В биоэлементологии в качестве основных направлений выделяют медицинскую элементологию и ветеринарную биоэлементологию.

Медицинская элементология - это раздел биоэлементологии, изучающий состав, содержание, связи и взаимодействие элементов в организме человека в норме и при патологических состояниях.

Задачей медицинской элементологии является разработка способов профилактики нарушений биоэлементного состава организма человека и их коррекции при развившихся патологических состояниях (дисэлементозах).

Среди задач медицинской элементологии: разработка, апробация и практическое применение методов оценки содержания биоэлементов в организме, выбор наиболее точных методов исследования и наиболее информативных биосубстратов, вопросы корректной оценки полученных результатов и их правильного толкования, разработка способов лечения дисэлементозов.

При дефиците биоэлементов в организме применяются средства, содержащие в повышенных количествах необходимые биоэлементы (в том числе, функциональные продукты питания, биологически активные добавки к пище, лекарственные препараты), средства, целенаправленно влияющие на обмен отдельных биоэлементов - с целью усиления их усвоения или выведения из организма, средства, использующие особенности синергического или антагонистического взаимодействия биоэлементов.

Целью всех этих мероприятий является восстановление биоэлементного состава организма. Не менее актуальная задача - профилактика дисэлементозов (например, предупреждение дефицита магния при стрессовых ситуациях, предупреждение дефицита кальция в климактерический период, профилактика массовых заболеваний населения в неблагополучных биогеохимических провинциях). Как и в других подобных случаях - профилактика эффективнее и менее затратна, чем терапия. К сожалению, до настоящего времени это направление медицинской элементологии используется в наименьшей степени. Как решение этой проблемы предлагается введение курса или раздела нутрициологической химии элементов в рамках естествознания, химии, нутрициологии, пищевой химии, валеологии и других наук, изучаемых школьниками и студентами немедицинских специальностей [4, 5].

Нутрициологическая химия элементов - теоретический и прикладной раздел естествознания о химических соединениях элементов (химических веществах) пищи, воды, окружающего пространства и их превращениях, влияющих на сохранение здоровья человеком/животными.

Второе основное направление биоэлементологии - ветеринарная элементология. Это раздел биоэлементологии, научно-практическое направление, изучающее состав, содержание, связи и взаимодействие биоэлементов в организме животных в норме и при патологических состояниях.

Задачей ветеринарной элементологии является разработка способов профилактики нарушений биоэлементного состава организма животных и их коррекции при развившихся патологических состояниях (дисэлементозах).

Что же касается классификаций биоэлементов, то к настоящему времени их предложено несколько, но ни одна из них не является общепризнанной.

Наиболее обоснованным из критериев, которые используются для классификаций, является содержание биоэлемента в организме. Этот критерий объективен (количество биоэлемента может быть измерено) и полезен, так как дает представление о содержании элементов в биообъекте.

Итак, первая группа - это элементы, которых «много». В настоящее время называют их биоэлементами-макроэлементами.

Макроэлементы - это биоэлементы, которые содержатся в значительных количествах, от десятков граммов (хлор, магний) до десятков килограммов (кислород, углерод).

Другими словами, к макроэлементам относятся все биоэлементы, содержание которых в биологических объектах превышает 0,1 % массы тела. В числе этих элементов кислород О, углерод С, водород Н, азот N кальций Са, фосфор Р, калий К, натрий Na, сера S, хлор С1, магний Мд.

Кислород, углерод, водород и азот часто выделяют в группу биоэлементов-органогенов. Все макроэлементы являются эссенциальными, т.е., жизненно необходимыми элементами-биоэлементами.

Микроэлементы - элементы, содержание которых находится в пределах

0,01-0,00001 % (от нескольких г до нескольких мг). Другими словами, к микроэлементам сейчас относят все элементы, содержание которых в биологическом объекте ниже 0,01 % . Это: кремний Si, йод I, фтор F, стронций Sr, железо Fe, марганец Мп, медь Си, цинк Zn, рубидий Яи, бром Вг и др.

Иногда выделяют дополнительно ультрамикроэлементы, их содержание ниже 10-5 %. К ним относятся молибден Мо, селен Se, титан Т^ кобальт Со, цезий Cs и др. [1].

При этом во многих случаях содержание биоэлемента-микроэлемента не соответствует порядку 10-6.

Мы предлагаем классификацию биоэлементов с использованием истинного значения латинских приставок: мили - 10-3, микро - 10-6, нано - 10-9.

Таблица 1. Классификации элементов по содержанию в 100 г. биообъекта

Принятая в настоящее время Рекомендуемая, с учетом действительных обозначений латинских приставок (Полянская, 2005)

Микроэлементы 10 мкм - 100 мг Наноэлементы 1-999 нг

Микроэлементы 1-999 мкг

Макроэлементы 100 мг и более Миллиэлементы 1-999 мг

Макроэлементы 1 и более г

По своему значению для обеспечения жизнедеятельности организма элементы делят на четыре группы: эссенциальные, условно эссенциальные, токсичные и малоизученые.

1. Эссенциальные (жизненно необходимые) - биоэлементы, для которых установлена их исключительная роль в обеспечении жизнедеятельности, обязательные компоненты организма человека. К этой группе сегодня относят железо Fe, цинк Zn, медь Си, марганец Мд, молибден Мо, кобальт Со, хром Сг, селен Se, йод I.

Все жизненно необходимые микроэлементы поступают в организм с пищей и

питьевой водой и относятся к числу незаменимых микронутриентов.

2. Условно эссенциальные (условно жизненно необходимые) - это элементы, в отношении которых накапливается все больше данных об их важной роли в обеспечении нормальной жизнедеятельности организма. К этой группе сегодня относят фтор F, бор В, кремний Si, никель М, ванадий V, бром Вг, мышьяк As, литий □ .

Возможно, некоторые из этих элементов со временем «переместятся» в группу жизненно необходимых микроэлементов, уже в наши дни они нередко рассматриваются как «серьезные претенденты на эссенциальность».

3. Токсичные - большая группа элементов, которые в микроколичествах постоянно присутствуют в организме, однако их биологическая роль изучена еще недостаточно. Ввиду того, что многие из этих элементов обладают относительно высокой токсичностью, обычно основное внимание уделяется именно их вредному воздействию на организм. К этой группе относятся рубидий ЯЬ, цирконий Zr, олово Sn, серебро Ад, золото Аи, вольфрам W, германий Ge, галлий Ga, стронций Sr, титан Т^ алюминий А1, свинец РЬ, барий Ва, висмут В^ кадмий Cd, ртуть Нд, таллий Т1, бериллий Ве, сурьма Sb. Иногда дополнительно выделяют потенциально токсичные элементы - поступление которых в организм в количествах, превышающих допустимый уровень, может вызвать развитие патологических состояний. К числу этих элементов можно отнести рубидий ЯЬ, цирконий Zr, олово Sn, серебро Ад, золото Аи, вольфрам W, германий Ge, галлий Ga, стронций Sr, титан Т^ тантал Та.

Токсичные элементы, как правило, не включают в число биоэлементов (эс-сенциальных микроэлементов).

Существует также большая группа элементов, которые в организме человека в норме не определяются, и роль, которых в обеспечении жизнедеятельности не известна или малоизвестна. К этой группе относятся инертные газы, редкоземельные металлы, актиноиды, трансурановые элементы.

Обычно по отношению к организму человека эти элементы называют малоизученными или примесными. Примесные элементы делят на аккумулирующиеся (Нд, РЬ, Cd) и неаккумулирующиеся (А1, Ад, Ga, Т^ F).

Доказано, что в организмах постоянно содержатся такие радиоактивные элементы, как радий, уран. В больших концентрациях они угнетают и нарушают нормальное протекание физиологических процессов. Однако при использовании их в чрезвычайно малых концентрациях, близких к естественному содержанию в обычных условиях природы, они могут стимулировать ряд биологически важных процессов. Уран, например, способствует лучшему прорастанию семян, ассимиляции угольной кислоты на свету и усвоению азота корнями растений. Радиоактивные вещества широко применяются и в медицине. Поэтому их можно причислить к эс-сенциальным (условно-эссенциальным) элементам.

Есть мнение, что все постоянно содержащиеся в организме элементы выполняют определенную жизненно важную функцию. Современное состояние знаний о биологической роли элементов можно характеризовать как поверхностное прикосновение к этой проблеме. Пополняются фактические данные по содержанию элементов в различных компонентах биосферы, ответные реакции организма на их недостаток и избыток [2].

Характерным признаком жизненной необходимости элемента является колоколообразный характер кривой, построенной в координатах: ответная реакция организма (Я) - доза элемента (Д) (рис. 1).

При недостаточном поступлении элемента в организм наносится существен-

ный ущерб росту и развитию организма. Это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит элемент. При повышении дозы этого элемента ответная реакция организма возрастает, достигает нормы (биотическая концентрация элемента). Чем больше ширина плато, тем меньше токсичность элемента. Дальнейшее увеличение дозы приводит к снижению функционирования вследствие токсического действия избытка элемента вплоть до летального исхода. Дефицит и избыток биоэлемента наносят вред организму. Все живые организмы реагируют на недостаток и избыток или неблагоприятное соотношение элементов.

Рисунок 1. Зависимость реакции организма от дозы элемента в пище и воде, биологических добавках и лекарствах

Даже эссенциальные биоэлементы, когда их концентрация в организме превышает биотическую концентрацию, проявляют токсическое действие на организм. Токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на организм. Например, мышьяк при микроконцентрациях оказывает биостимулирующее действие. Следовательно, нет токсичных элементов, а есть токсичные дозы. Таким образом, малые дозы элемента - лекарство, большие дозы

- яд. «Все есть яд, и ничто не лишено ядовитости, одна лишь доза делает яд незаметным», - говорил Парацельс.

Таким образом, классификация биоэлементов по значению для обеспечения жизнедеятельности организма не является общепризнанной, подвижна, т.к. элемент после открытия медицинской или ветеринарной элементологией данных о важном участии в метаболических процессах поднимается на ступеньку выше. Например, до недавнего времени относимый к потенциально-токсичным титан Тк После доказательств его положительного влияния на биообъекты (интенсификация синтеза аминокислот, белков, углеводов и липидов; активирующее действие на кроветворные, ферментативные системы; повышение гомеостатической емкости [2]) можно отнести к эссенциальным (жизненно необходимым) неаккумулирую-щимся элементам.

Наиболее совершенной классификацией биоэлементов нам представляется принятие за признак разделения содержание элемента в организме (табл. 1), а для человека, возможно, в женском молоке с учетом истинного значения латинских

десятичных приставок.

Если использовать данные примерных массовых долей элементов в организме взрослого человека ш [6], к макроэлементы: О, С, Н, Ы, Са, Р; а классификация милли- и микроэлементов будет выглядеть подобным образом (табл 2):

Таблица 2. Классификация милли- и микроэлементов с учетом значения латинских приставок

Классификация мили- и Микроэлементов Биоэлемент ш, %

Миллиэлементы первого порядка Zn 3,3-10-3

F 3,7-10-3

Fe 6,0-10-3

Другие 1,010-3 - 9,9-10-3

Миллиэлементы второго порядка Se 18,0-10-3

Si 26,0-10-3

Мд 27,0-10-3

Другие 10,0-10-3 - 99,9-10-3

Миллиэлементы третьего порядка СІ 120-10-3

Ыа 140

К 200

S 200,0-Ю-3

Другие 100,0-10-3 - 999,9-Ю-3

Микроэлементы первого порядка Со 2,0-10-6

Cs 2,0-10-6

Сг 2,9-10-6

Аи 9,7-10-6

Мо 9,8-10-6

Sn 9,9-10-6

Другие 1,010-6 - 9,9-10-6

Микроэлементы второго порядка № 10,110-6

I 20,0-10-6

Мп 20,0-10-6

Ва 30,0-10-6

В 60,0-10-6

Сd 70,0-10-6

АІ 90,0-10-6

Другие 10,0-10-6 - 99,9-10-6

Микроэлементы третьего порядка Си 100-10-6

РЬ 170-10-6

Вг 290-10-6

Sr 460-10-6

ЯЬ 460-10-6

Другие 100,0-10-6 - 999,9-Ю-6

Урана в организме человека примерно 100-10-9 % [6], таким образом, его можно отнести к наноэлементам второго порядка.

Содержания элементов в молоке женщин, живущих в разных районах мира, различается мало, в силу гомеостатических механизмов. По этому признаку, на-

пример, калий (4,1-5,5 мг%), натрий (9-13 мг%), кальций (22-29 мг%) и магний (2,9-3,8 мг%) являются миллиэлементами, барий (10-30 мкг%) и стронций (^ 30 мкг%) - микроэлементами. Франций и радий, по-видимому, наноэлементы.

Возможно и использование данных по нормальному содержанию элементов в крови человека [3,4,5].

Принятие международными сообществами единой классификации биоэлементов с учетом действительного значения латинских приставок, по нашему мнению, позволило бы не только называть вещи своими именами в биоэлементологии, но и способствовало бы систематизации величин гигиенической рекомендации содержания элементов в воде, пище, пищевых добавках, сегодня называемым: эссен-циальными, условно-необходимыми, элементами малоизученного действия и др.

Список литературных источников:

1. Скальный, А. В. Биоэлементология - новый термин или новое научное направление? / А. В. Скальный, И. А. Рудаков // Вестник ОГУ. - №2. - 2005.

- С. 4-8.

2. Жолнин, А. В. Общая химия : учебник для вузов / А. В. Жолнин. - М.: ГЭО-ТАР-Медиа, 2012.- 400 с.

3. Полянская, И. С. Нано-, микро-, милли-, и макроэлементы в функциональных продуктах. Технологии и продукты здорового питания / И. С. Полянская // Матер. междунар. конференции. - М. : МГУПП, 2005. - С. 175-182.

4. Полянская, И. С. Нутрициологическая химия s-элементов : учеб. пособие для вузов / И. С. Полянская. - Вологда ; Молочное : ИЦ ВГМХА, 2011. -139 с.

5. Полянская, И. С. Нутрициологические, микробиологические, генетические и биохимические основы разработки и производства продкутов с пробиотиками : монография / И. С.Полянская [и др.]. - Вологда ; Молочное : ИЦ ВГМХА, 2013. - 200 с.

6. Раdikal T.N., Fivozinsky S.P. Medical Physics Data Book, National Bureau of Standards Handbook 138, U.S. Government Printing Office, Washington, 2005.

New Classification of Bio-elements in Bio-elementology

Polyanskaya Irina Sergeevna, Can.of Sciences (Technics), associate professor of the General and Applied Chemistry Chair

e-mail: [email protected]

The N.V.Vereshchagin Vologda State Dairy Farming Academy

Abstract: there are some bio-elements classifications nowadays, one of which includes their division into macro-, micro-, ultra-elements. At the same time the certain change of the Latin prefix micro-10-6 is not followed. The new classification of bioelements into macro-, micro-, milli-, nano-elements is proposed in accordance with their content in biologically important mediums (for instance, by the average content in the blood or woman's milk). In compliance with the author the change into bio-elements classification in accordance with the certain Latin prefixes meanings would allow not only call things by their proper names, but classify values of hygienic recommendations for these elements content within food products and adds.

Keywords: bio-elements, micro-elements, macro-elements, milli-elements, nanoelements; Nutritiological Chemistry of Elements, elementology, diselementoses.