CC BY
1491
о
(N
РОЛЬ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБМЕНА МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПИТАНИИ ЧЕЛОВЕКА
Лысиков Ю. А.
Институт питания РАМН, Москва
РЕЗЮМЕ
В работе представлены оригинальные данные, свидетельствующие о благоприятном влиянии дюспаталина (мебеверина) на функциональное состояние желчного пузыря и сфинктерного аппарата желчных путей, а также литогенные свойства желчи у больных хроническим беска-менным холециститом.
SUMMARY
In this article presented original evidence on the beneficial effects of dyuspatalin (mebeverin) on the functional status of gallbladder and sphincter apparatus of biliary tract, as well as the lithogenic properties of bile at patients with chronic acalculous cholecystitis.
Обмен макро- и микроэлементов в организме человека и его нарушения являются одной из актуальных проблем современной нутрициологии, которой занимаются врачи-нутрициологи, химики и биохимики. Необходимо подчеркнуть, что обмен элементов в организме человека является проблемой междисциплинарной и ее нельзя решать только лишь с клинических или биохимических позиций. Попытаемся взглянуть на нее с позиций физиологии, рассмотрев три ключевых вопроса: всасывание, распределение и накопление элементов в организме человека.
ТЕРМИНОЛОГИЯ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
Следует сказать, что в современной терминологии, так же как и в классификациях элементов, царит путаница и неопределенность. Дело в том, что в организме человека, животных и растений содержание разных элементов различается на порядки. Как полагают, в организме всех живых существ 99 % массы тела приходится на 11 элементов, входящих в число наиболее легких первых 20 элементов Периодической системы Д. И. Менделеева. По этой
О
О
сч
причине их называют «структурными» элементами [1]. Для человека со средней массой тела 70 кг на эти элементы приходится более 69 кг, а на все остальные — около 1 кг. Таким образом, содержание подавляющего большинства элементов в организме человека будет очень низким. Это обстоятельство, очевидно, и привело к появлению понятий trace elements (следовые элементы), или микроэлементы. Но так ли это на самом деле?
Наряду с термином «микроэлементы» существует понятие «макроэлементы». Какие элементы входят в их число? Где проходит граница между макро- и микроэлементами? Выделяют понятие «ультраследовые элементы» (ультрамикроэлементы), содержание которых в организме значительно меньше, чем микроэлементов. Но где проходит граница между микро- и ультрамикроэлементами?
Например, «школа В. И. Вернадского» [3] различает:
• макроэлементы, которые содержатся в организме человека в диапазоне от 0,1 до 10 % (143 г — 7 кг);
• микроэлементы, которые содержатся в организме человека в диапазоне от 0,0001 до 0,01 % (0,14 - 1 г);
■
• ультрамикроэлементы, содержание в организме
человека менее 0,0001 % (0,14 г).
В соответствии с этими критериями в число макроэлементов войдут всего 4 элемента: водород (6 кг), азот (1,8 кг), кальций (1 кг) и фосфор (0,78 кг), а в число микроэлементов — 3 элемента: рубидий (0,68 г), стронций (0,32 г) и бром (0,17 г). Тогда к какому классу отнести 10 элементов от калия (140 г) до циркония (1,7 г), к числу которых относятся такие элементы, как: натрий (100 г), магний (19 г), железо (4,2 г) и др.? В соответствии с этими критериями в число ультрамикроэлементов войдут такие распространенные в организме человека элементы, как, например, свинец (120 мг), медь (72 мг), алюминий (61 мг).
В другой классификации все элементы делят на:
1. основные элементы — 6 элементов: натрий, калий, кальций, магний, хлор и фосфор;
2. следовые элементы (trace elements) — 11 элементов: железо, йод, фтор, цинк, селен, медь, марганец, хром, молибден, кобальт и никель;
3. ультраследовые (ultra — trace elements) — 21 элемент: алюминий, мышьяк, барий, висмут, бор, бром, кадмий, цезий, германий, ртуть, литий, свинец, рубидий, сурьма, кремний, самарий, скандий, стронций, таллий, титан и вольфрам.
Если говорить о так называемых «основных элементах», то в этой группе пропущена сера, которой в организме больше, чем натрия и хлора. Среди «следовых элементов» железо, фтор, цинк и кремний присутствуют в организме человека отнюдь не в следовых количествах, содержание каждого из них превышает 1 г. А содержание в организме таких «ультраследовых элементов», как алюминий, бром, кадмий, свинец, рубидий и стронций, превышает 50 мг и может достигать сотен мг.
Выделяют «органические» элементы, в число которых входят водород, кислород, углерод и азот. Они составляют основу органических соединений — белков, жиров, углеводов и других органических веществ. Все остальные элементы относят к «неорганическим» или «минеральным» (минералам). Однако такое деление очень условное, так как многие «минеральные» элементы входят в состав органических веществ, например, сера, селен, фосфор, кремний. «Органические» элементы (водород, кислород и азот) могут входить в состав неорганических соединений (солей, кислот, щелочей). Понятие «минеральные элементы» пришло к нам из геохимии. В живой природе не может быть «органических» или «минеральных» элементов — все они являются составной частью живой материи. В организме человека к минералам можно отнести разве что гидроксилаппатит костной ткани, почечные и желчные камни, конкременты и нерастворимые в воде соли, которые образуются в ЖКТ.
Среди элементов выделяют «электролиты»: натрий, калий, кальций, магний, хлор, сера, фосфор; «металлы»: железо, цинк, никель, олово, свинец, медь и др. Однако с металлами мы имеем дело в хозяйственной деятельности, а в организме эти элементы входят в состав органических молекул.
Элементы подразделяют на токсичные и нетоксичные, хотя токсичность могут проявлять практически все элементы, Эти же элементы могут быть абсолютно нетоксичными, за исключение радиоактивных изотопов — все зависит от дозы. Выделяют эссенциальные (незаменимые), «кандидаты в эссенциальные» и инертные элементы. Однако в настоящее время становится понятным, что подавляющее большинство элементов играет определенную роль в обмене веществ. К числу эссен-циальных можно отнести такие токсичные элементы, как, например, алюминий, ртуть, мышьяк, свинец.
Большинство современных классификаций элементов основаны на оценке содержания (массы) элементов в организме взрослого человека. Рассматривая проблему классификации элементов, проанализируем рейтинг содержания элементов в организме человека, приняв в качестве основного критерия их среднюю суммарную массу (Табл. 1). По этому критерию все элементы, которые присутствуют в теле человека, можно разделить на 4 основные группы:
1. Структурные элементы — содержание в организме более одного кг (5 элементов): кислород, углерод, азот, водород и кальций. Они являются структурообразующими элементами и составляют основную часть органического и минерального матрикса организма человека, на них приходится 67,8 кг массы тела (96,86 %).
2. Макроэлементы — содержание в организме более одного грамма (11 элементов): фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, цинк, кремний и цирконий. Эту группу элементов по рейтингу можно разделить на 4 подгруппы, между которыми существует внушительный разрыв по массе:
• В первую подгруппу войдет фосфор, которого в организме взрослого человека в среднем содержится около 780 г, его в 5 раз больше, чем ближайшего соседа — калия (140 г).
• Во вторую подгруппу войдут 4 элемента: калий, сера, натрий и хлор, содержание которых в организме превышает 100 г.
• В третью подгруппу войдет один магний, которого содержится около 19 г (в 5 раз меньше, чем элементов второй подгруппы).
• В четвертую подгруппу войдут 5 элементов: железо, фтор, цинк, кремний и цирконий, содержа-
лекции
lectures
ние которых в организме колеблется от 1,7 до 4,5 г (в среднем в 5 раз меньше, чем магния).
3. Микроэлементы — содержание в организме более одного миллиграмма (28 элементов): рубидий, стронций, бром, свинец, ниобий, медь, алюминий, кадмий, барий, бор (первая десятка микроэлементов), теллур, ванадий, мышьяк, олово, селен, титан, ртуть, марганец, йод, никель, золото, молибден, сурьма, хром, иттрий, кобальт, цезий, германий. Эту наиболее обширную группу условно можно разделить на 4 основные подгруппы:
• В первую войдут 5 элементов, содержание которых в организме превышает 100 мг: рубидий, стронций, бром, свинец и ниобий.
• Во вторую войдут 3 элемента, содержание которых в организме 50-100 мг: медь, алюминий и кадмий.
• Третья подгруппа самая многочисленная, в нее входят 13 элементов, содержание которых в организме 10 - 50 мг: барий, бор, теллур, ванадий, мышьяк, олово, селен, титан, ртуть, марганец, йод, никель и золото.
• В четвертую подгруппу входят оставшиеся 7 элементов, содержание которых в организме 1-10 мг: молибден, сурьма, хром, иттрий, кобальт, цезий и германий.
4. Ультрамикроэлементы — содержание в организме менее одного миллиграмма. Это все остальные элементы таблицы Д. И. Менделеева. Наиболее высокий рейтинг по содержанию имеют: серебро и литий (500 - 800 мкг), урана и бериллия в организме содержится почти в 10 раз меньше (36-90 мкг). Остальные элементы содержатся в организме в еще более незначительном количестве.
Параметры массы очень удобны в расчетах содержания элементов в организме человека или в составе пищевых продуктов, однако этот критерий не отражает истинного содержания элементов в организме. Все элементы существенным образом различаются по атомной массе (атомному весу), поэтому при одинаковой или близкой суммарной массе разных элементов легких элементов может быть значительно больше по числу атомов, чем тяжелых. Например, содержание кислорода в организме по массе в 7 раз превышает содержание водорода, но атомов водорода более чем вдвое больше, чем атомов кислорода. Масса фосфора в организме на 25 % меньше массы кальция, однако число атомов фосфора превышает число атомов кальция. По этой причине фосфор можно отнести к числу структурных элементов, учитывая, что 82 -87 % всего фосфора сосредоточено в составе костного матрикса. Количество атомов натрия существенно превышает количество калия, хотя по массе его меньше. Масса железа в организме в 2 раза больше, чем кремния, но число их атомов примерно одинаково. Алюминия в организме в 5 раз больше, чем кадмия, хотя по массе они почти равны.
Таким образом, традиционная оценка количества и значимости элементов, которая ориентируется на массу, недостаточно точная. Необходимо учитывать атомный вес элементов, различающийся почти на два порядка. Рассмотрим содержание элементов в организме, взяв в качестве критерия число их атомов (молярную концентрацию) (Табл. 2).
Рейтинг содержания в организме человека элементов, пропорциональный числу атомов или молярной концентрации, заметно отличается от рейтинга, основанного на оценке суммарной массы элемента. В то же время для структурных элементов и макроэлементов оба критерия дают примерно одинаковое распределение элементов внутри групп и подгрупп. Для микроэлементов различия атомной массы являются более значимыми в рейтинге распределения в организме человека, поскольку в этой группе наряду с легкими элементами (литием, бериллием и бором) присутствует большое число тяжелых элементов. При этом в группе микроэлементов можно выделить примерно 6 подгрупп, на границе которых существует двукратный разрыв в молярной концентрации элемента. Граница между микро- и ультрамикроэлементами определяется десятикратным разрывом в молярной концентрации между серебром и ураном. Таким образом, критерий молярной концентрации, который соответствует числу атомов, гораздо более точно отражает содержание каждого из элементов в организме человека и их возможную значимость.
Следует подчеркнуть, что содержание в организме разных людей одних и тех же элементов — величина переменная и может существенно различаться. Например, содержание магния может колебаться от 21 до 28 г, цинка — от 1,4 до 2,4 г (различия составляют 1,7), ванадия — от 10 до 25 мг (различия составляют 2,5) [3].
Количество того или иного элемента в организме человека во многом зависит от содержания элементов в питании и в окружающей геохимической среде. Последний фактор в значительной степени определяет недостаточное или, напротив, избыточное поступление отдельных элементов в организм человека, что может вызвать проявления токсичности некоторых элементов (бериллия, селена, фтора, стронция, тяжелых металлов). Уменьшение содержания отдельных элементов в организме человека может быть связано с нарушениями пищеварительной функции и утилизации элементов, а также с ускоренным выведения их из организма, например, при высокой физической активности или вследствие некоторых заболеваний. Содержание элементов в организме человека зависит и от особенностей обмена веществ. Существуют болезни накопления, при которых нарушено выведение отдельных элементов из организма, например железа, меди и др.
СЧ
со
(N
РЕЙТИНГ СОДЕРЖАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА, ПО КРИТЕРИЮ МАССЫ [3]
№ Содержание в организме Поступление с пищей Всасывание,%
Структурные элементы кг г %
1 Кислород 43 2600 ± 920* 100
2 Углерод 1б 300 100
3 Водород б 350 100
4 Азот 1,8 16 100
5 Кальций 1 1,1 30
Макроэлементы г г %
1 Фосфор 780 1,4 80
2 Калий 140 3,3 100
3 Сера 140 0,850 80
4 Натрий 100 4,4 100
5 Хлор 95 5,2 100
б Магний 19 0,340 30
7 Железо 4,2 0,016 10
8 Фтор 2,б 0,0018 100
9 Цинк 2,3 0,013 50
10 Кремний 2,1 0,0035 33
11 Цирконий 1,7 0,0042 5
Микроэлементы мг мг %
1 Рубидий б80 2,2 100
2 Стронций 320 1,9 30
3 Бром 170 7,5 100
4 Свинец 120 0,440 20
5 Ниобий 110 0,620 7
б Медь 72 3,5 50
7 Алюминий б1 45 0,5
8 Кадмий 50 0,150 15
9 Барий 22 0,750 б
10 Бор 20 1,3 100
11 Теллур 20 0,600 25
12 Ванадий 18 2,0 2
13 Мышьяк 18 1,0 100
14 Олово 17 4,0 20
15 Селен 1б 0,150 50
1б Титан 14 0,850 3
17 Ртуть 13 0,015 40
18 Марганец 12 3,7 10
19 Йод 11 0,200 100
20 Никель 10 0,400 5
21 Золото 10 0,250 10
22 Молибден 9,5 0,300 80
23 Сурьма 7,9 0,050 10
24 Хром б,б 0,150 10
25 Иттрий 4,5 50
2б Кобальт 1,5 0,300 30
27 Цезий 1,5 0,010 100
28 Германий 1,0 1,5 100
Ультрамикроэлементы мкг мкг %
1 Серебро 0,79 0,070 7
2 Литий 0,б7 2,0 100
3 Бериллий 0,03б 12 0,2
* Поступление с воздухом
лекции
lectures
№ Элемент Атомный вес Содержание в организме Всасывание,%
моль масса, г
Структурные элементы
1 Водород 1,0 6 000 000 6 000 100
2 Кислород 16,0 2 687 500 43 000 100
3 Углерод 12,0 1 333 333 16 000 100
4 Азот 14,0 128 571 1 800 100
5 Фосфор 31,0 25 161 780 80
6 Кальций 40,1 24 900 1 000 30
Макроэлементы
1 Сера 32,1 4 361 140 80
2 Натрий 23,0 4 348 100 100
3 Калий 39,1 3 581 140 100
4 Хлор 35,5 2 676 95 100
5 Магний 24,3 782 19 30
6 Фтор 19,0 136 2,6 100
7 Железо 55,9 75 4,2 10
8 Кремний 28,1 74 2,1 33
9 Цинк 65,4 35 2,3 50
10 Цирконий 91,2 19 1,7 5
Макроэлементы
1 Рубидий 85,5 7,95 0,680 100
2 Стронций 87,6 3,65 0,320 30
3 Алюминий 27,0 2,26 0,061 0.5
4 Бром 79,9 2,13 0,170* 100
5 Бор 10,8 1,85 0,020 100
6 Ниобий 92,9 1,18 0,110 7
7 Медь 63,6 1,13 0,072 50
8 Свинец 207,2 0,579 0,120 20
9 Кадмий 112,4 0,445 0,550 15
10 Бериллий 9,0 0,400 0,036 0.2
11 Ванадий 50,9 0,354 0,018 2
12 Титан 47,9 0,292 0,014 3
13 Мышьяк 74,9 0,240 0,018 100
14 Марганец 54,9 0,218 0,012 10
15 Селен 79,0 0,203 0,016 50
16 Никель 58,7 0,170 0,010 5
17 Барий 137,3 0,160 0,022 6
18 Теллур 127,6 0,157 0,020 25
19 Олово 118,7 0,143 0,017 20
20 Хром 52,0 0,127 6,6 мг 10
21 Молибден 95,9 0,099 9,5 мг 80
22 Литий 6,9 0,097 0,67 мг 10
23 Йод 126,9 0,086 0,011 100
24 Сурьма 121,8 0,065 7,9 мг 10
25 Ртуть 200,6 0,065 0,0 13 40
26 Иттрий 88,9 0,052 4,5 мг 50
27 Золото 197,0 0,051 0,010 10
28 Кобальт 58,9 0,025 1,5 мг 30
29 Германий 72,6 0,014 1,0 мг 100
30 Цезий 132,9 0,011 1,5 мг 100
31 Серебро 107,9 0,007 0,79 мг 7
Ультрамикроэлементы
Уран 238,0 0,0004 0,090 мг
О
о
сч
ю
CN
Содержание элементов в организме человека может изменяться в силу разных причин, но ведущими являются две, которые связаны с динамикой поступления и выведения элементов из организма. Сочетание действия этих двух факторов приводит к существенным колебаниям содержания различных элементов в организме человека на протяжении года, амплитуда колебаний может достигать 20 % [5]. Причина сезонных колебаний содержания элементов в организме может быть связана различиями в питании и содержании элементов в составе пищевых продуктов, которые существенно меняются в течение года. Однако известны и внутренние сезонные циклические изменения физиологических процессов в организме человека, которые также могут затрагивать обмен макро-и микроэлементов.
Содержание элементов в организме человека меняется с возрастом. Например, содержание кальция и кремния увеличивается, а калия и натрия — уменьшается. Возрастные изменения содержания элементов могут носить линейный или циклический характер. Например, содержание кальция в организме достигает первого максимума в возрасте 9-11 лет, но к 12 годам оно снижается, а затем опять начинает увеличиваться. Содержание фосфора меняется в обратном направлении. Имеются существенные различия по полу в содержании элементов в организме. Например, в организме женщин содержится больше кальция, магния, фосфора, цинка, меди и марганца. А у мужчин почти вдвое больше ртути, кадмия и свинца. В организме мужчин железа больше, чем у женщин, причем эти различия максимальны в возрасте 11-12 лет.
Оценка содержания элементов в организме может иметь значение при прогнозе развития некоторых заболеваний. Например, при бронхиальной астме в организме снижается содержание марганца и меди (на 50 %), цинка (на 40 %) и магния (на 20 %). Напротив, у часто болеющих детей наблюдают избыток содержания алюминия, кальция, хрома, кремния [4].
ВСАСЫВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ
Всасывание элементов в ЖКТ является еще одним камнем преткновения в современной физиологии обмена веществ. Дело в том, что всасывание является не только одним из этапов ассимиляции (усвоения) пищи, но и связано с процессами рециркуляции пищевых субстратов между внутренней средой организма и ЖКТ. Например, суточное поступление меди с пищей составляет в среднем 3,5 мг, практически такое же количество меди (3,4 мг) экскретируется с калом. В то же время значительное количество меди (7,9-19 мг) секретируется в желудке, кишечнике и выводится с желчью. Таким образом,
количество меди, рециркулирующее в ЖКТ, в 4 раза превосходит среднее ежедневное поступление ее с пищей [3]. С другой стороны, процессы ассимиляции пищи складываются из двух последовательных этапов:
• всасывания (усвоения) пищевых веществ
(элементов) в ЖКТ и
• утилизации их организмом после поступления в кровь.
Для всех веществ существует коэффициент ( %) всасывания, который может варьировать в определенных границах. Например, усвояемость селена из 8е-метионина составляет 37 %, из 8е-цистеина — 73 %, из селенита натрия — 42 %, из элементного селена — 7 % [3]. Таким образом, в процессе всасывания могут быть весьма существенные потери элементов, которые возрастают при нарушении пищеварительной функции.
Но и после того как элементы пересекут кишечный барьер и поступят во внутреннюю среду организма, они могут быть экс-кретированы в просвет кишки, выведены из организма с мочой или с потом. Поэтому потери элементов могут быть и на этапе утилизации.
Всасывание часто отождествляют с понятием «биодоступности», что является весьма неопределенным: его можно понимать и как синоним всасывания, I и как суммарный результат всасывания и утилизации. Еще одним из неопределенных понятий в нутрициологии является термин «поступление в организм», который, как правило, означает поступление элементов с пищей в ЖКТ, а не во внутреннюю среду организма.
Всасывание элементов в желудочно-кишечном тракте при их поступлении в составе пищи играет очень важную роль в ассимиляции и обмене элементов в организме. Известно, что всасывание разных элементов различается весьма существенно. Все элементы с учетом коэффициента всасывания можно разделить на 4 основные группы (Табл. 3):
1. Абсолютное, или высокое, всасывание, когда из поступающих в ЖКТ элементов в кровь попадает от 80 до 100 %, коэффициент всасывания составляет 0,8-1,0. Практически полностью (на 100 %) всасываются калий, натрий, хлор, фтор, рубидий, бром, йод, бор, мышьяк, цезий, литий и германий. В среднем на 80 % всасываются фосфор, сера и молибден. Очень хорошо всасываются структурные и почти все макроэлементы, за исключением кальция. Всасывание кальция колеблется от 0,12 до 0,67 (в среднем 0,3).
2. Умеренное всасывание, когда средний коэффициент всасывания составляет 0,25-0,50 (25-50 %). В среднем на 50 % всасываются селен, цинк и медь,
лекции
lectures
№ Элементы Всасывание, % Поступление с пищей, мг Содержание в организме, мг
Высокое всасывание
1 Хлор 100 5200 95 000
2 Натрий 100 4400 100 000
3 Калий 100 3300 140 000
4 Бром 100 7,5 170
5 Рубидий 100 2,2 680
6 Литий 100 2,0 0,67
7 Фтор 100 1,8 2600
8 Германий 100 1,5 1,0
9 Бор 100 1,3 20
10 Мышьяк 100 1,0 18
11 Йод 100 0,200 11
12 Цезий 100 0,010 1,5
12 Фосфор 80 1400 780 000
13 Сера 80 850 140 000
14 Молибден 80 0,3 9,5
Умеренное всасывание
1 Селен 50 0,150 16
2 Цинк 50 13 2300
3 Медь 50 3,5 72
4 Ртуть 40 0,015 13
5 Кремний 33 3,5 2100
6 Кальций 30 1,1 1 000 000
7 Магний 30 340 19 000
8 Стронций 30 1,9 320
9 Кобальт 30 0,300 1,5
10 Теллур 25 0,600 20
Низкое всасывание
1 Олово 20 4,0 17
2 Свинец 20 0,440 120
3 Кадмий 15 0,150 50
4 Железо 10 16 4,2
5 Марганец 10 3,7 12
6 Золото 10 0,250 10
7 Хром 10 0,150 6,6
8 Сурьма 10 0,050 7,9
Очень низкое всасывание
1 Ниобий 7 0,620 110
2 Серебро 7 0,070 0,79
3 Барий 6 0,750 22
4 Титан 5 0,850 14
5 Цирконий 5 4,2 1700
6 Никель 3 0,400 10
7 Ванадий 2 2,0 18
8 Алюминий 0,5 45 61
9 Иттрий 0,5 4,5
10 Бериллий 0,2 0,012 0,036
О
о
сч
Г-v
(N
на 40 % — ртуть, на 30 % — кремний, кальций, магний, стронций и кобальт, на 25 % — теллур.
3. Низкое всасывание, когда коэффициент всасывания составляет 0,10-0,20 (10-20%). В среднем на 20 % всасываются олово и свинец, на 15 % — кадмий, на 10 % — железо, марганец, золото, хром, сурьма.
4. Очень низкое всасывание, когда средний коэффициент всасывания ниже 0,10 (менее 10 %). В среднем на 6-7 % всасываются ниобий, серебро и барий, на 5 % — цирконий и титан,на 2 - 3 % — никель и ванадий. Еще хуже — на 0,2-0,5 % — всасываются алюминий, бериллий и иттрий.
Знание такого показателя, как уровень всасывания, позволяет понять очень многие свойства и объяснить многие физиологические эффекты макро- и микроэлементов. Для тех элементов, которые всасываются в ЖКТ очень хорошо (на 80-100 %), как правило, не в озникает проблемы дефицита. Исключение составляют йод и фтор, дефицит которых обычно связан с их низким содержанием в составе пищи и воды. Из-за высокого уровня всасывания очень легко получить отравление мышьяком или препаратами, содержащими бор. При снижении коэффициента всасывания даже до 50 % начинают возникать проблемы дефицита отдельных элементов, например селена, цинка и меди. Напомним, что одной из причин недостаточности кальция, магния, а также железа, марганца и хрома является их низкое всасывание, которое составляет 30 и 10 % соответственно. С другой стороны, низкий коэффициент всасывания некоторых тяжелых металлов (стронция, свинца, кадмия, сурьмы, серебра), а также алюминия или бериллия предотвращает поступление в организм этих токсичных элементов. Очень низкое всасывание серебра и алюминия является гарантией безопасности организма при использовании алюминиевой посуды или применении препаратов коллоидного серебра.
Всасывание элементов в ЖКТ является величиной переменной и может меняться под воздействием как внешних причин, связанных с питанием, так и внутренних факторов. Организм весьма эффективно регулирует и контролирует всасывание различных элементов. При недостатке того или иного элементов в организме его всасывание возрастает, а при избытке — снижается. У людей с нормальным содержанием железа в организме из ЖКТ всасывается до 10 % вводимого железа, а при недостатке всасывание может увеличиваться до 29 - 71 % (в 2 - 7 раз). При недостатке в организме железа также усиливается всасывание кобальта (с 30 до 70 %). При снижении содержания кальция в организме его всасывание может увеличиваться с 13 до 33 % (почти в 3 раза) [3]. Всасывание подавляющего большинства макро- и микроэлементов осуществляется с помощью белков-переносчиков (известны кальцийсвязывающий белок, цинксвязывающий белок и др.).
На всасывание активно влияют другие пищевые вещества, которые могут усиливать всасывание или, напротив, его тормозить. Всасывание магния составляет в среднем 30 %. При рационе с высоким содержанием белка всасывание увеличивается до 40 %, оно также возрастает под влиянием витамина D, кальция, алкоголя, антибиотиков и гормона роста. Всасывание кальция усиливают белки (лизин, аргинин), витамин D, фосфаты, лактоза, гормон роста. Снижается всасывание кальция под воздействием жиров, алкоголя, фитиновой кислоты (злаки).
Всасывание многих элементов меняется с возрастом. Всасывание железа у новорожденных может достигать 70 %, у детей до 10 лет оно уменьшается до 10 %, а у взрослых составляет около 3 %. В пожилом возрасте всасывание железа снижается еще больше. Всасывание кальция также снижается с возрастом и у человека, и у животных. В то же время поступление рубидия, который является спутником калия, в организм взрослых составляет 1,5 мг/сутки, у детей меньше — 1,4 мг/сутки (Япония).
Уровень всасывание зависит и от пола. Например, у мужчин в организм поступает 310 - 330мг магния, а у женщин меньше —
270 мг, рубидия у мужчин поступает 2,5 мг, у женщин — всего 1,8 мг (диета США). Эти различия отчасти могут быть связаны с меньшим объемом пищи, которые употребляют женщины. Однако отдельные, важные для женщин микроэлементы могут всасываться значительно лучше, чем у мужчин. У женщин железа всасывается примерно в 4 раза больше, чем у мужчин [3].
Всасывание во многом зависит от того соединения, в составе которого находится данный элемент (или валентности). Магний лучше всасывается, когда находится в составе глюконата, ацетата, лактата и трисиликата. Соли двухвалентного железа всасываются в 3-7 раз лучше, чем трехвалентного.
НАКОПЛЕНИЕ И ВЫВЕДЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ОРГАНИЗМА
Очень важной характеристикой обмена элементов является величина накопления их в организме. Для этого существует такое понятие, как кратность накопления элементов, которое показывает, как быстро и в каком количестве элементы накапливаются в разных органах и тканях и во всем организме. Этот показатель можно рассчитать по формуле: содержание элемента в организме/коэффициент всасывания. Показатель кратности накопления элементов пропорционален скорости выведения элементов из организма, он также демонстрирует, как быстро и с какой скоростью
лекции
lectures
00
сч
№ Элементы Период полувыведения сутки Кратность накопления Всасывание, % Содержание в организме, мг
Высокая скорость выведения
1 Йод 0,35 (115**) 5,5 100 11
2 Литий 2 0,33 100 0,67
3 Таллий 4 8 50 6
4 Хлор 10 18 100 95 000
5 Бром 10 27 100 170
6 Бор 11 15,4 100 20
7 Натрий 11 23 100 100 000
8 Кобальт 11,5 16,7 30 1,5
9 Мышьяк 12,5 18 100 18
10 Олово 14 21 20 17
11 Селен 15 120 50 16
12 Барий 16 293 6 22
13 Марганец 22,5 32 10 12
14 Молибден 27,5 40 80 9,5
15 Медь 30 41 50 72
16 Калий 30 43 100 140 000
17 Уран 45 400 0,09
Умеренная скорость выведения
1 Рубидий 80 310 100 680
2 Кремний 80 340 33 2100
3 Хром 83 440 0,10 6,6
4 Золото 40 - 120 100 10 10
5 Сера 94 206 80 140 000
6 Серебро 80 - 160 248 7 0,79
7 Магний 130 186 30 19 000
8 Бериллий 180 1500 0,2 0,036
9 Алюминий 200 270 50 61
10 Цинк 245 350 50 2300
11 Ванадий 300 450 0,02 18
12 Титан 320 550 3 14
Низкая скорость выведения
1 Ртуть 576 865 40 13
2 Никель 667 500 5 10
3 Сурьма 730 1580 10 7,9
4 Ниобий 760 17 700 7 110
5 Фтор 808 1450 100 2600
6 Цирконий 660 - 1320 8000 5 1700
Очень низкая скорость выведения
1 Железо 1800 2620 10 4200
2 Кальций 2100 910 30 1 000 000
3 Кадмий 2300 3330 15 50
Выведение элементов из составе скелета
1 Фосфор 1440* 700 80 780 000
2 Фтор 1450* 1450 100 2600
3 Стронций 1870* 560 30 320
4 Кальций 7000* 910 30 1 000 000
5 Свинец 10 000* 1360 20 120
* Выведение из составе скелета.
** Выведение из щитовидной железы.
о
о
сч
о
(N
обновляется пул элементов в организме. Чем ниже кратность накопления, тем быстрее элементы обновляются и выводятся из организма. И наоборот: чем выше кратность накопления, тем медленнее скорость обновления и выведения элементов из организма.
В норме при рациональном и сбалансированном питании количество поступающих в организм элементов почти всегда соответствует их потерям, что позволяет сохранять физиологическое равновесие (баланс элементов) в организме. Если этот баланс нарушается и становится положительным, то может возникнуть ситуация с избыточным накоплением того или иного элемента, что может привести к нарушению обмена веществ, интоксикации или возникновению болезней накопления. При формировании отрицательного баланса организм теряет элементы быстрее, чем получает. Возникает их дефицит, что также приводит к нарушению обмена веществ и физиологических процессов.
Поступление элементов в организм человека определяется тремя основными причинами: содержанием элементов в питании, коэффициентом всасывания и состоянием пищеварительной функции. Выведение элементов из организма зависит от способности накапливаться в организме, активности обмена веществ и скорости выведения.
Для разных элементов кратность накопления и соответственно скорость выведения из организма различается весьма существенно. По этому показателю элементы можно разделить на 4 основные группы (табл. 4):
1. Очень высокая скорость выведения (низкая кратность накопления), которая в среднем составляет от 45 суток до одного дня: йод, литий, таллий, хлор, бор, натрий, кобальт, мышьяк, олово, селен, барий, марганец, молибден, медь, калий, уран. Элементы, обладающие очень низкой кратностью накопления и высокой скоростью выведения, организм может потерять в течение считанных дней. В условиях физиологического равновесия между поступлением и потерей элементов в течение этого времени происходит практически полное обновление элементов организма.
2. Умеренная скорость выведения (умеренная кратность накопления), которая в среднем составляет 2-12 месяцев, характерна для рубидия, кремния, хрома, золота, серы, серебра, магния, бериллия, алюминия, цинка, ванадия, титана.
3. Низкая скорость выведения (высокая кратность накопления), которая в среднем составляет от 1 года до 3 лет, характерна для ртути, никеля, сурьмы, ниобия, фтора, циркония.
4. Очень низкая скорость выведения (высокая кратность накопления), которая в среднем составляет более 3 лет, характерна для железа, кальция, кадмия.
Чем выше скорость выведения, тем быстрее осуществляется обновление элементов в организме и быстрее может возникнуть дефицит элемента при уменьшении его поступления с пищей. Поэтому элементы, которые имеют высокую скорость выведения, необходимы нам в первую очередь и их нужно получать регулярно. Это касается в первую очередь таких микроэлементов, как йод, бор, кобальт, олово, селен, марганец, медь. При недостатке этих элементов в рационе мы очень быстро можем получить их дефицит, поскольку организм потеряет основной их пул в течение считанных дней. В то же время это свойство элементов позволяет достаточно просто освободить организм от избытка токсичных элементов: таллия, бора, мышьяка, средняя скорость полувыведения которых колеблется от 4 до 12 дней.
Напротив, для тех элементов, у которых очень низкая скорость выведения, потери происходят очень медленно месяцами и годами, но и восполнение дефицита их в организме может продолжаться столь же долго. Это относится к таким элементам, как кальций, железо, цинк, магний, которые также отличаются или очень низким, или невысоким коэффициентом всасывания (от 10 до 50 %).
Не случайно поэтому и остеопороз, и железодефицитная анемия лечатся очень долго. Эти макро- и микроэлементы можно принимать отдельными курсами.
Среди элементов с очень низкой скоростью обновления выделяются фосфор и фтор, дефицит которых не встречается при нормальном сбалансированном питании. Причиной тому является высокая биоусвояемость этих элементов из пищевого рациона, которая составляет 80 - 100 %. Медленная скорость обновления элементов определяет и хроническую токсичность таких элементов, как свинец, стронций, кадмий, сурьма, ртуть, которые выходят из организма очень долго.
Для элементов, отличающихся одинаково высокой усвояемостью: йода и фтора, также могут быть характерны дефицитные состояния, но причины их очень разные. Йод отличается высокой скоростью выведения (0,35 суток) и быстро теряется организмом, поэтому он должен поступать с пищей постоянно. Фтор, напротив, имеет очень низкую скорость обновления (1450 суток), поэтому его дефицит характерен для регионов с очень низким содержанием фтора в пище и питьевой воде. Однако все попытки решить проблему дефицита фтора фторированием воды закончились неудачей из-за аккумуляции фтора в организме и развитием хронической токсичности.
лекции
lectures
о
со
Наряду со средними значениями скорости выведения элементов из всего организма для разных органов и тканей скорость выведения может отличаться. Например, если йод очень быстро (менее чем за сутки) выводится из крови, то скорость полувыведения йода из ткани щитовидной железы составляет в среднем 115 суток [2].
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Одна из закономерностей физиологического действия элементов заключается в том, что активность проявляет лишь очень небольшая часть пула элементов организма, более значительное их количество находится в связанной форме или в депонированном виде. Например, из 200 мкг йода, которые поступают в организм человека с пищей, используется 70-140 мкг этого элемента. 99 % всего кальция (1200 г) сконцентрировано в составе костной ткани и лишь около 1 % кальция находится в физиологически активной форме (ионизированный и другие формы). Из 2,3 - 3,8 г железа 64-75 % его находится в составе гемоглобина и миоглобина, 0,1-0,5 % связано с ферментами, а 28-31 % депонировано в комплексе с белками (ферритином и гемосидерином) или связано с переносчиком железа (трансферри-ном). И хотя организм человека каждый день теряет определенные количества всех элементов, то даже при снижении их поступления с пищей какое-то время организм может удовлетворять потребность в том или ином элементе за счет текущего пула элементов или их запаса. Помимо этого, в организме начинают работать системы «сбережения» элементов, которые направлены на уменьшение их потерь, увеличение всасывания элементов из пищевого рациона и на более эффективную реутилизацию элементов.
Подавляющее число элементов в организме, может быть, за исключением электролитов, действуют не сами по себе, а в комплексе с органическими макромолекулами, например с ферментами. Во внутренней среде организма большинство мак-ро- и микроэлементов находится не в свободной, а в связанной форме в комплексе с субстратсвя-зывающими белками и другими макромолекулами. При этом происходит концентрирование и накопление определенных элементов в отдельных органах и тканях. Например, в клетках щитовидной железы концентрация йода в 300 раз выше, чем в плазме крови. То же касается и костной ткани, где концентрируются запасы кальция, фосфора, магния, фтора, тяжелых металлов. Из этих депо элементы извлекаются достаточно медленно.
Примерно 25 - 30 % всех ферментов проявляют свою активность при обязательном участии элементов, основную долю которых составляют микроэлементы. Важную роль в процессах био-
логического катализа играют металлы с переменной валентностью (медь, железо, хром и др.), которые обладают способностью быстро отдавать или забирать электрон. Поэтому, например, железо входит в состав важнейших окислительных ферментов — каталазы, пероксидазы, цитохро-мов. Ионы железа в качестве катализатора химической реакции способны разлагать перекись водорода на воду и кислород, но та же реакция ускоряется в 10 миллиардов раз при включении железа в структуру фермента каталазы. Участие различных микроэлементов в качестве катализаторов химических реакций строго специфично и основано на определенных и неповторимых химических свойствах этих элементов. Например, цинк способен не только разрывать химические связи между атомами углерода и азота, но и соединить между собой эти атомы, благодаря чему из аминокислот образуются белковые молекулы. В то же время цинк способен соединять между собой атомы кислорода и азота, а также атомы серы. Медь обладает способностью разрывать или образовывать связи между атомами углерода и серы. Однако только кобальт способен разрушить и образовать химическую связь между атомами углерода. Молибден в живой природе входит в состав азотфиксирующих ферментов и способен переводить в связанное состояние атмосферный азот. В организме человека молибден участвует в окислении альдегидов.
Физиологическую роль элементов подчас трудно понять и объяснить, если не вникать в их химические свойства массу атомов, размер элементов или их ионов. Например, кальций и стронций по своим химическим свойствам очень похожи друг на друга. Но если в костной ткани часть ионов кальция заменить на ионы стронция, которые имеют более крупные размеры, то структура ткани становится более рыхлой, а кости — более ломкими и быстро искривляются. Такого рода аномалии скелета наблюдают в некоторых геохимических зонах, где в почве повышено содержание стронция. Также очень похожи между собой ионы натрия и калия. Но ионы калия гораздо крупнее, чем ионы натрия, и это обстоятельство определило их судьбу в живых системах. Калий в организме находится главным образом внутри клеток, а натрий — во внеклеточных жидкостях. В эритроцитах калия в 10,5 раза больше, чем натрия, а в плазме крови, наоборот, натрия почти в 30 раз больше, чем калия.
Благодаря своим маленьким размерам ионы магния очень хорошо вступают в ионно-ковалентную связь со всеми органическими молекулами, которые содержат кислород, скрепляя молекулы между собой. Удаление магния из среды может приводить к распаду молекулярных группировок, например, рибосом, на которых происходит син-
СЧ
тез белковых молекул. Примерно такую же роль в организме может выполнять и кальций, образуя ионную связь с кислородом, в составе органических молекул. Благодаря этим свойствам кальций участвует в регуляции работы мышц. Соединяясь с мышечным волокном, ионы кальция растягивают
ЛИТЕРАТУРА
1. Авцин, А. П. Микроэлементозы человека: этиология, классификация, органопатология/А. П. Авцин [и др. ]. — М., Медицина, 1991. — 496 с.
2. Громова, О. А. Нейрохимия макро- и микроэлементов. Новые подходы к фармакотерапии/О. А. Громова, А. В. Кудрин. — М.:
Алев-В, 2001. — 300 с.
3. Москалев, Ю. И. Минеральный обмен/Ю. И. Москалев. — М.: Медицина, 1985. — 288 с.
молекулу волокна, и мышца расслабляется. Когда в мышечные клетки поступает сигнал на сжатие, то в ней увеличивается содержание ионов фосфора, с которыми кальций связывается более прочно, в результате мышечное волокно освобождается от кальция и сокращается.
4. Скальный, А. В. Микроэлементозы человека (диагностика и ле-чение)/А. В. Скальный. — М.: КМК, 2001. — 96 с.
5. Скальный, А. В. Элементный состав волос как отражение сезонных колебаний обеспеченности организма детей макро- и микроэлементами/А. В. Скальный, В. А. Демидов//Микроэлементы в медицине. — 2001. — Т. 2, № 3. — С. 2-9.
Ф
лекции
lectures
