Физиологическая роль макрои микроэлементов (обзор литературы)

УДК 577.17.049

Л.В.Родионова

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН

С позиций биохимии обобщены, данные отечественной и зарубежной литературы, о физиологических функциях кальция, неорганических фосфатов, хлоридов, магния, меди, цинка и. железа в организме человека.

Ключевые слова: макроэлементы, микроэлементы

PHYSIOLOGICAL ROLE OF MACRO- AND MICROELEMENTS

L.V. Rodionova

The data of domestic and foreign literature about physiological function of calcium, inorganic phosphates, chlorides, magnesium, copper, zinc and iron in a human organism, are reviewed, from biochemical point of view.

Key words: macroelements, microelements__________________________________________________

В живом организме многие процессы имеют циклический, волнообразный характер. Химические процессы, лежащие в их основе, должны быть обратимы. Обратимость процессов определяется взаимодействием термодинамических и кинетических факторов. Поэтому удобным переносчиком электронов в живых системах являются ионы металлов (железо, медь, цинк, магний и другие). Присоединение и отдача электрона вызывают изменения лишь электронной конфигурации иона металла, не изменяя существенно структуру органической составляющей комплекса [2, 10, 14].

Примерно треть всех известных ферментов содержит ион металла или активируется ионами металла. Прочность связи металлов с белковой частью фермента колеблется в широких пределах. Некоторые ферменты в процессе их выделения утрачивают ион металла вследствие диссоциации, так что при измерении активности фермента приходится эти ионы добавлять — это ферменты, активируемые металлами. Другие ферменты сохраняют ион металла при очистке — это металлофер-менты (металлопротеины). Деление на эти группы условно, поскольку между крайними формами существует ряд промежуточных форм [1 — 4, 25, 26]. В роли кофактора могут выступать ионы различных металлов (табл. 1).

Ион металла может участвовать в присоединении субстрата, собственно в катализе, в стабилизации нормальной конформации молекулы фермента, в стабилизации четвертичной структуры. Активность металлозависимых ферментов после удаления металла либо утрачивается полностью, либо заметно снижается [2, 3, 24, 25, 30].

Чувствительность клеток к ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки, градиентом концентрации (ионной асимметрией). При старении происходит понижение градиента концентрации, при смерти — выравнивание концентрации вне и внутри клетки. Градиент кон-

центрации обеспечивается связыванием свободных ионов клетки специфическими белками [10].

В молекуле щелочной фосфатазы (К.Ф. 3.1.3.1) содержится ион 7п2 +. Использование метода ядерного магнитного резонанса дало возможность установить, что каждый мономер щелочной фосфа-тазы (ЩФ), содержит три металлосвязывающих центра, расположенных близко друг к другу (33). Два центра связаны с 7п2 +, а один — с Мд2 +. Лишенный ионов металла фермент теряет активность, но восстанавливает ее после их добавления. Активность полностью восстанавливается после занятия двух центров цинком. Присоединение магния оказывает меньшее влияние на активность ЩФ [36]. Полагают, что 7п2 + повышает активность фермента, вызывая конформационные изменения и облегчая, таким образом, фосфогидролиз [37]. Механизм активации ЩФ ионами магния не вполне выяснен, но полагают, что они способствуют такому размещению субъединиц фермента, которое облегчает доступ субстрата в активный центр [29, 38].

Однако, при повышенных дозах цинка минерализация и рост бедренных костей крыс, а также обмен кальция, фосфора и магния нарушаются. Кальций тормозит всасывание и выведение цинка. Высокие дозы цинка тормозят рост, нарушают развитие скелета и минерализацию костей за счет снижения более чем в 2 раза содержания кальция и фосфора [20 — 22, 30].

Цинк угнетает активность железосодержащих ферментов — цитохромоксидазы и каталазы, которые, как известно, играют важную роль в повышении способности остеобластов к синтезу коллагена (30), с другой стороны повышение уровня цинка в определенной степени может тормозить свободно-радикальное окисление в клетках (особенно в гепатоцитах), обеспечивать обратимость повреждений ДНК [37].

Для секреции паратиреоидного гормона и его действия на органы-мишени необходим магний,

Таблица 1

Физиологическая роль минералов

Элемент Биологические функции

Кальций * является составной частью костной ткани (25-27 % от общей массы); * необходим для сокращения мышечных волокон; * обеспечивает сопряжение гуморального сигнала и биохимических процессов; * регулирует активность внутриклеточных ферментов различных классов; * оказывает влияние на проницаемость биологических мембран; * является одним из ключевых факторов в реакциях тромбообразования; * необходим для активации полиморфноядерных лейкоцитов; * играет ключевую роль в проведении управляющих сигналов пролиферации, дифференцировки, апоптоза.

Неорганические фосфаты * регулируют синтез 2,3-дифосфоглицерата, определяющего кислород-транспортную способность гемоглобина; * выступают в качестве составной части фосфопротеинов, нуклеиновых кислот, фосфолипидов клеточных мембран, коферментов; * фосфорилируют углеводы, делая их доступными для метаболических процессов; * входят в состав макроэргов (неорганические формы - полифосфаты разной длины цепи; органические формы - АТФ, ГТФ и др.); * вместе с кальцием образуют нерастворимые фосфаты костной ткани: 3Са3(РО4)27Са(ОН)2 и 3Саз(РО4)2-7СаСОз-7Н2О; * формируют фосфатные буферные системы крови и мочи; * необходимы для внутриклеточного переваривания бактерий; функции специфичные для полимерных форм фосфатов - полифосфаты выступают в роли: * хелаторов Са2+ и других двухвалентных катионов; * противоионов для основных аминокислот; * компонентов канала, образованного совместно с поли-р-гидроксибутиратом в клеточных мембранах; * донора неорганических фосфатов для ряда киназ сахаров; * модулятора ответа клеток на стресс, контролируя экспрессию генов семейств гесА и гроА.

Хлориды * является главным внеклеточным анионом, компенсирующим влияние катионов (обеспечение электронейтральности); * участвует в поддержании кислотно-основного состояния между плазмой и эритроцитами и осмотического равновесия между кровью и тканями; * участвует в обеспечении баланса воды в организме; * активирует амилазу; * участвует в образовании соляной кислоты желудочного сока; * участвует в формировании трансмембранного потенциала.

Магний * является составной частью минеральной компоненты костной ткани; * участвует в формировании биоэлектрического потенциала как антагонист кальция (курареподобное действие); * регулирует проницаемость биологических мембран; * активирует фибринолиз, является природным антикоагулянтом; * является кофактором многих ферментов, связанных с обменом АТФ; * с его участием осуществляется зависимый от антител цитолиз клеток-мишеней, происходит связывание 1дМ на мембране лимфоцитов, осуществляется контактное взаимодействие Т-лимфоцитов-хелперов с В-лимфоцитами, продуцирующими антитела; * от концентрации магния зависит ответ макрофагов на лимфокины в среде взаимодействия; * ионы магния, наряду с НАДФ и молекулярным кислородом участвуют в (метаболизме вит. Д до кальцитриола) гидроксилировании витамина ДЗ до 25-ОН-ДЗ и в дальнейшем модифицировании последнего до самого активного метаболита витамина Д - 1,25-(ОН)2-ДЗ (кальцитриола), основная биологическая роль которого -стимуляция всасывания кальция и фосфата в кишечнике. При недостаточности кальцитриола замедляется репарация костной ткани и нарушается ее ремоделирование; * участвует в поддержании уровня калия в клетке посредством активации ферментов, участвующих в обмене углеводов и белков, триггеров натрий-калиевого насоса; * является важным звеном в функционировании механизма нейромышечной проводимости, проводимости нервных образований в ЦНС и сокращения миокарда; * является физиологическим регулятором роста, поддерживая синтез пуриновых и пиримидиновых оснований; * необходим на всех этапах синтеза белка; * регулирует сосудистый тонус, способствует дилатации сосудистой стенки (снижение концентрации магния ведет к спазму сосудов и повышению АД, ухудшению микроциркуляции в капиллярах); * является активатором около 300 ферментных систем, поэтому многие внутриклеточные процессы зависят от наличия ионов магния (гликолиз, окислительный метаболизм, трансмембранный перенос калия и кальция и другие процессы); * обладает гиполипидемическим эффектом.

Медь * является составной частью электронпереносящих белков, осуществляющих реакции окисления субстратов молекулярным кислородом; * входит в состав церулоплазмина - мультифункционального белка, играющего роль реактанта острой фазы, обладающего активностью феррооксидазы, аминооксидазы и частично супероксиддисмутазы; * участвует в обмене липидов; * входит в состав аминооксидазы соединительной ткани (лизилоксидазы), осуществляющей формирование поперечных сшивок коллагеновых и эластиновых волокон; * входит в состав дофамин-р-гидроксилазы при недостаточности которой нарушается синтез катехоламинов и поражение ЦНС; * участвует в обмене ферментов, витаминов, гормонов, белков (в том числе и гемоглобина), углеводов; * участвует в некоторых иммунных процессах.

Таблица 1

Цинк * участвует в процессах роста и деления клеток: наиболее часто прослеживается связь между задержкой роста и деления клеток с угнетением активности ферментов нуклеинового и белкового обмена. * обеспечивает обратимость процессов денатурации ДНК; * участвует в формировании спиральной структуры РНК; * участвует в процессах кератогенеза: при дефиците цинка наблюдается облысение, сопровождающееся обширными поражениями кожи. У больных хроническим язвенным дерматитом отмечается взаимосвязь между содержанием цинка и тяжестью течения дерматита; * входит в состав щелочной фосфатазы, таким образом участвуя в процессах кальцификации; * оказывает стабилизирующее действие на цитоплазматические мембраны, препятствуя высвобождению гидролитических ферментов, таких как катепсин Э и коллагеназа, контролирующих скорость распада поврежденных тканей, прием сульфата цинка повышает скорость заживления послеоперационных ран; * при дефиците цинка наступает угнетение сперматогенеза и развития первичных и вторичных половых признаков; * принимает участие в иммунном ответе: дефицит цинка сопровождается снижением уровня гормона вилочковой железы - тималина, угнетением образования антител, снижением числа лимфоцитов; * входит в состав 5-нуклеотидазы, участвующей в метаболизме пуринов что важно для функционирования Т- и В-лимфоцитов; недостаточность этого фермента отмечена при врожденном дефиците Т-лимфоцитов; * входит в состав белка густина (вырабатывается в околоушных слюнных железах), который специфически связывается с мембранами вкусовых сосочков и регулирует поступление в них питательных веществ; * необходим для образования кристаллических форм инсулина, в виде которых происходит депонирование инсулина бета-клетками поджелудочной железы.

Железо * осуществляет свою биологическую функцию главным образом в составе других биологически активных соединений, преимущественно ферментов. Железосодержащие ферменты выполняют четыре основные функции: * транспорт электронов (цитохромы, железосеропротеиды); * транспорт и депонирование кислорода (гемоглобин, миоглобин); * участие в формировании активных центров окислительно-восстановительных ферментов (оксидазы, гидроксилазы, СОД и др.); * транспорт и депонирование железа (трансферрин, гемосидерин, ферритин).

Таблица составлена по литературным источникам, указанным в списке литературы: 1-38.

дефицит магния может вызвать гипомагниемию, которая нечувствительна к лечению витамином Д и препаратами кальция [2 — 4, 8, 9, 11, 12].

Активное участие в процессах кроветворения, роста и размножения принимает медь, она оказывает регулирующее влияние на гормоны гипофи-

за, содержание тироксина, адреналина и некоторых других гормонов в крови [1 —6, 9, 13, 16, 17, 20, 24].

Особенно важную роль медь играет в физиологии костной ткани, катализируя ряд весьма существенных ферментных систем в остеогенных клетках, способствуя тем самым поддержанию уровня дифференциации. Благоприятное действие меди на остеобластические элементы проявляется только при оптимальных дозах. Их повышение вызывает обратный эффект — торможение жизнедеятельности остеобластов и подавление их роста [2, 4, 30]. Медь оказывает также влияние на кальций-фосфорный обмен в костной ткани. Она принимает участие в процессах минерализации белковых матриц костей [12, 13, 32].

Кроме того, ионы меди активируют кокарбок-силазу, биологически активную форму витамина В1, которая участвует в процессах декарбоксили-рования пировиноградной кислоты и превращения ее в цитрат, который используется при окостенении. Остается неясным, каким образом ионы меди участвуют в процессах оссификации. Предполагают, что усиление оссификации происходит за счет влияния на энзиматические системы и скорость синтеза костного белка — коллагена, который, как известно, способен в особых условиях обызвествляться [12, 13, 22, 30].

Основным метаболитом, обеспечивающим в плазме антирадикальный эффект является церулоплазмин — медьсодержащий белок [30]. Уста-

новлена прямая связь между балансом микроэлементов (в том числе меди) и активностью перекис-ного окисления липидов (ПОЛ) [35].

Общебиологическое значение железа широко известно. Основная масса исследований посвящена именно этому вопросу. По отношению к костной ткани исследования проводились несколько в меньшем объеме, поскольку железо не относят к «остеотропным» элементам. Железо откладывается в местах энхондрального и периостального костеобразования. Поскольку железо активно отлагалось на развивающихся костных структурах, было высказано предположение о благотворном влиянии железа на отложение кальций-фосфатно-го апатита в остеоидной субстанции. Избыточное введение солей железа в организм вызывает не только хондродистрофию со стороны костной ткани, но и изменения по типу рахита [12—15, 18].

Железо постоянно обнаруживается в костной ткани, играя, очевидно, немаловажную роль в обменных процессах, протекающих в местах остеогенеза. Это выражается как в конкурирующих отношениях железо-кальций за места в кристаллической решетке, так и непосредственным влиянием на систему цитохромоксидаз, играющих важную роль в метаболизме остеобласта. Вероятно, действие железа в этом отношении не является специфичным и оказывает такое же действие на остальную массу клеток организма.

Как микроэлемент, имеющий отношение к кроветворению, железо может в определенной степени являться косвенным показателем степени васкуляризации костной ткани или регенерата, а также служить показателем степени нарушения компенсаторно-адаптационных возможностей организма [14].

Уникальна роль кальция во внутриклеточных процессах [31]. Ионы кальция выполняют функцию так называемого «вторичного посредника», с помощью которого гормоны и другие внешние для клетки сигналы передаются внутрь клетки и запускают соответствующий физиологический ответ [8, 9, 12, 13, 15, 16, 18, 23, 25-27, 31].

При анализе литературных данных очевидно, что проблема выявления и коррекции минерального дисбаланса при различной патологии остается актуальной, поскольку большинство макро- и микроэлементов участвуют в процессах минерализации, входят в состав костной ткани, участвуют в активации ферментов, процессах свертывания крови, в различных реакциях организма, связанных с изменением проницаемости мембран по отношению к ионам калия, натрия и кальция. Кроме того, ионы металлов участвуют в образовании мембранного потенциала, процессах роста и развития, сокращения, деления, секреции, регенерации, а также обеспечивают перенос в клетке информации [1, 2, 4, 6, 11, 15, 18, 22, 24-26, 28, 14]. Более подробная информация представлена в таблице 1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Березов Т.Т. Биологическая химия: Учебник / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. — М.: Медицина,

1998. — 704 с.

2. Биохимия: Учебник / Под ред. Е.С. Северина. — М: ГЭОТАР-МЕД, 2003. — 784 с.

3. Биохимия человека / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл // Под ред. Л.М. Гинодмана // В 2-х т.: пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — Т. 1. — 384 с.

4. Биохимия человека / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл // Под ред. Л.М. Гинодмана // В 2-х т.: пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — Т. 2. — 415 с.

5. Брин В.Б. Физиология человека в схемах и таблицах / В.Б. Брин. — Ростов-на-Дону: Феникс,

1999. — 352 с.

6. Бышевский А.Ш. Биохимия для врача / А.Ш. Бышевский, О.А. Терсенов. — Екатеринбург: Издательско-полиграфическое предприятие «Уральский рабочий», 1994. — 384 с.

7. Горн М.М. Водно-электролитный и кислотно-основной баланс: краткое руководство / М.М. Горн, У.И. Хейтц, П.Л. Сверинген. — СПб.— М.: «Невский Диалект»: БИНОМ, 1999. — 320 с.

8. Гринстейн Б. Наглядная биохимия: пер. с англ. / Б. Гринстейн, А. Гринстейн — М.: ГЭОТАР Медицина, 2000. — 119 с.

9. Долгов В.В. Лабораторная диагностика нарушений обмена минералов и заболеваний костей. Нарушения метаболизма кальция, фосфора и магния: В помощь практическому врачу / В.В. Долгов, И.П. Ермакова // Остеопороз и остеопатии. —

2000. — №3. — С. 15—18.

10. Жолнин А.В. Химия биогенных элементов: конспект лекций по общей химии / А.В. Жолнин.

— Челябинск, 2001. — http://medpulse.h1.ru/ Medjourn/HTML/Biogen.htm

11. Камышников В.С. Справочник по клинико-биохимической лабораторной диагностике. В

2 т. / В.С. Камышников. — Минск: Беларусь, 2000.

- Т. 1. - 495 с.

12. Камышников В.С. Справочник по клинико-биохимической лабораторной диагностике. В 2 т. / В.С. Камышников. — Минск: Беларусь, 2000.

- Т. 2. — 463 с.

13. Клиническая биохимия / Под ред. В.А. Ткачука. — М.: ГЭОТАР-МЕД, 2002. — 360 с.

14. Клиническая биохимия: Учебное пособие для студентов медицинских вузов / А.Я. Цыганен-ко, В.И. Жуков, В.В. Мясоедов, И.В. Завгородний.

— М.: «Триада-Х», 2002. — 504 с.

15. Кольман Я. Наглядная биохимия: пер. с нем. / Я. Кольман, К.-Г. Рем. — М.: Мир, 2000. — 469 с.

16. Комаров Ф.И. Биохимические показатели в клинике внутренних болезней: Справочник / Ф.И. Комаров, Б.Ф. Коровкин. — М.: МЕДпресс,

1999. — 232 с.

17. Лившиц В.М. Биохимические анализы в клинике: Справочник / В.М. Лившиц, В.И. Сидель-никова. — М.: МИА, 1998. — 303 с.

18. Маршалл В.Дж. Клиническая биохимия: пер. с англ. / В.Дж. Маршалл. — М. — СПб.: БИНОМ — Невский Диалект, 2000. — 368 с.

19. Медведев В.В. Клиническая лабораторная диагностика: Справочник для врачей / В.В. Медведев, Ю.З. Волчек // Под ред. В.А. Яковлева. — СПб.: Гиппократ, 1997. — 208 с.

20. Медицинская лабораторная диагностика (программы и алгоритмы): Справочник / Под ред. А.И. Карпищенко. — СПб.: Интермедика,

2001. — 544 с.

21. Медицинские лабораторные технологии и диагностика: Справочник. Медицинские лабораторные технологии // Под ред. А.И. Карпищенко // В 2-х т. — СПб.: Интермедика, 1998. — Т. 1. — 408 с.

22. Медицинские лабораторные технологии и диагностика: Справочник. Медицинские лабораторные технологии / Под ред. А.И. Карпищенко // В 2-х т. — СПб.: Интермедика, 1999.— Т. 2. — 656 с.

23. Минченко Б.И. Нарушение обмена кальция (биохимия метаболизма и лабораторная диагностика) / Б.И. Минченко, Д.С. Беневоленский // Лабораторная медицина. — 1998. — № 1. — С. 74 — 78.

24. Назаренко Г.И. Клиническая оценка результатов лабораторных исследований / Г.И. Назаренко, А.А. Кишкун. — М.: Медицина, 2000. — 544 с.

25. Николаев А.Я. Биологическая химия / А.Я. Николаев. — М.: Медицинское информационное агентство, 2001. — 496 с.

26. Николаев А.Я. Биологическая химия / А.Я. Николаев. — М.: Медицинское информационное агентство, 2004. — 566 с.

27. Патофизиология / П.Ф. Литвицкий, Н.И. Лосев, В.А. Войнов и др. // Под ред. проф. П.Ф. Лит-вицкого. — М.: Медицина, 1997. — 752 с.

28. Пехливанов Б. Щелочная фосфатаза: современное состояние вопроса (обзор литературы) / Б. Пехливанов, Т. Цветкова // Лаб. дело. — 1989.

— № 11. — С. 4 — 7.

29. Рожинская Л.Я. Остеопороз: диагностика нарушений метаболизма костной ткани и кальций-

фосфорного обмена / Л.Я. Рожинская // Клин. лаб. диагностика. — 1998. — №5. — С. 61—63.

30. Скоблин А.П. Микроэлементы в костной ткани / А.П. Скоблин, А.М. Белоус. — М.: Медицина, 1968. — 232 с.

31. Состояние оксидантно-антиоксидантной системы сыворотки крови при экспериментальной инфекции / В.Г. Сидоркин, М.А. Старикова, С.И. Пылаева, Н.А. Гординская и др. // Травматол. и ортопед. России. — 1996. — №4. — С. 102—104.

32. Шанин В.Ю. Клиническая патофизиология / В.Ю. Шанин. — СПб.: Специальная литература, 1998. — 569 с.

33. A spectroscopic investigation of cobalt(II) substituted alkaline phosphatase / L. Banci, I. Bertini, E. Gallori, C. Luchinat et al. // J. Inorg. Biochem. — 1987. - Vol. 30, N2. - P. 77-85.

34. Bui L.M. Comparative effects of 6-week nicotine treatment on blood pressure and components of the antioxidant system in male spontaneously

hypertensive (SHR) and normotensive Wistar Kyoto (WKY) rats / L.M. Bui, C.L. Keen, M.A. Dubick // Toxicology. - 1995.- Vol. 98, N 1-3. - P. 57-63.

35. Coleman J.E. Zinc (II), cadmium (II), cobalt (II) and magnesium (II) binding to alkaline phosphatase of Escherichia coli structural and functional effects / J.E. Coleman, N. Nakamura, J.F. Chel-bowski // J. Biol. Chem. - 1983. - Vol. 258, N 1.

- P. 386-395.

36. Dubick M.A., Bui L.M., Carpenter L.G., Keen C.L. // Circ. Schock. - 1993. - Suppl. 2. - P. 47.

37. Gettins P. Chloride binding to alkaline phosphatase. 113Cd and 35Cl NMR. / P. Gettins, J.E. Coleman // J. Biol. Chem. - 1984. - Vol. 259, N 17. - P. 11036-11040.

38. Navarathan N. Modulation of activity of human alkaline phosphatases by Mg2+ and thiol compounds / N. Navarathan, R.A. Stinson // Bio-chim. Biophys. Acta. - 1986. - Vol. 869, N 1. -P. 99-105.