12.6. Биологическая роль элементов 12-й группы

Цинк, кадмий, ртуть относятся к числу микроэлементов. При этом цинк распространен в природе в значительно большей степени, чем кадмий и ртуть (см. табл. 12.3), и является жизненно необходимым элементом, тогда как кадмий и ртуть относятся к примесным микроэлементам, постоянно находящимся в организме животных и человека. В организме человека массой 70 кг содержится около 3 г цинка. Кадмия в организмах животных ~110^–4%, а ртути 10^–6 - 10^–7%.

Цинк. С древних времен соединения цинка использовали в медицинской практике. Еще 5 тысяч лет назад египтяне пользовались цинковой мазью для быстрого заживления ран. Необходимость и незаменимость цинка для растений и человека была установлена 100 лет назад. Недостаток цинка в организме обнаружен у пациентов, страдающих атеросклерозом, артритом, ревматизмом, циррозом печени, трофическими язвами, алкоголизмом, раковыми и сердечными заболеваниями. Оказалось, что слишком соленая или слишком сладкая пища, употребление противозачаточных таблеток и препаратов кортизона может привести к недостатку цинка в организме.

Цинк необходим для формирования костных тканей, особенно в ранний пе­риод развития человека. С недостатком цинка у детей связывают плохой аппетит, замедленный рост, увеличение пористости костей, желание лизать и глотать металлические предметы, слабый рост волос. Считают также, что недостаток цинка может быть причиной возникновения эпилепсии. Витамин А эффективен только в присутствии цинка.

Считается, что существует определенная связь между умственными и физическими способностями человека и содержанием цинка в его организме. Так, в волосах хорошо успевающих студентов найдено больше цинка, чем у студентов отстающих. Алкоголь понижает уровень цинка в организме, особенно в мышцах и плазме крови.

В организме людей, подвергшихся стрессам, цинка в 3 - 5 раз меньше нормы. Этим часто объясняют возникновение язв желудочно-кишечного тракта на фоне невротических расстройств.

Максимальное содержание цинка в организме наблюдается в период полового созревания, затем оно понижается и в старости доходит до минимума. Избыток цинка в пище тоже вреден - вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм цинка и железа).

Цинк концентрируется в организме главным образом в мышцах, печени, поджелудочной железе, тестикулах. Роль цинка в жизнедеятельности организма обусловлена вхождением его в состав более 40 важных метамоферментов, катализирующих гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов.

Среди цинксодержащих ферментов наиболее известным является карбоангидраза. Этот фермент состоит из 260 аминокислотных остатков, и цинк располагается в образуемой ими полости. При удалении цинка фермент теряет каталитическую активность. Цинк в этом ферменте превращает диоксид углерода СО₂, образующийся в тканях, в угольную кислоту Н₂СО₃. Затем в легких идет процесс дегидратации Н₂СО₃. Эта обратимая реакция влияет на скорость процесса дыхания, на газообмен в организме.

Другой фермент - карбоксипептидаза - участвует в реакциях гидролиза пептидных связей, и содержащийся в ферменте цинк способствует превращению карбонильной группы >С=О пептидной связи субстрата в карбоксильную группу -СООН.

Цинксодержащий гормон инсулин регулирует углеводный обмен, влияет на содержание сахара в крови и является препаратом для лечения диабета.

Цинк проявляет антивирусное и антитоксическое действие на клетки. Вместе с витамином С цинк применяют как средство против катара и вирусных заболеваний горла. С помощью препаратов цинка можно вылечить юношеские угри, а также восстановить утрату вкуса и обоняния. Цинксодержащие препараты ускоряют заживление язв.

Дефицит цинка может быть вызван нарушением деятельности щитовидной железы, болезнями печени, недостатком цинка в воде, пище, а также слишком большим количеством фитина в продуктах питания, так как фитин «связывает» цинк, затрудняет его усвоение. Избыток белка в пище, заболевание раком, бронхиты, другие воспалительные процессы также могут быть причиной перерасхода цинка.

Цинк нетоксичен и не накапливается в тканях. Цинк необходим организму, однако лекарствами восполнить недостаток цинка трудно, его лучше получать из продуктов питания, только тогда он усваивается организмом.

Наиболее богаты цинком мясо, печень, молоко, яйца. Около 0,25 мг цинка на 1 кг содержат яблоки, апельсины, лимоны, инжир, грейпфруты, зеленые овощи, минеральная вода, мед. Примерно 8 мг/кг находятся в малине, черной смородине, финиках, в большинстве морских рыб, в постной говядине, молоке, очищенном рисе, свекле, спарже, сельдерее, помидорах, картофеле, редьке, хлебе, 8 - 20 мг/кг - в некоторых зерновых, дрожжах, луке, чесноке, неочищенном рисе, яйцах. Более всего, 130 - 200 мг/кг, цинка в пшеничных отрубях, проросших зернах пшеницы, тыквенных и подсолнечных семечках. Однако зерновые, как правило, содержат одновременно фитиновую кислоту, которая поглощает цинк, переводя цинк в кишечнике в неусвояемые соединения.

В организме существует конкуренция между цинком и медью, а также цинком и железом. Поэтому, употребляя богатую цинком пищу, следует дополнять диету пищей, богатой медью и железом. Нельзя применять цинк вместе с селеном, так как эти два элемента взаимно исключают друг друга.

Кадмий концентрируется в основном в почках (к старости его содержание там повышается), а также в печени и немного в крови. Кадмий накапливается в почках в виде комплекса с белками, которые участвуют в ферментативных процессах. Попадая в организм извне, кадмий оказывает ингибирующее действие на ряд ферментов, вызывая торможение некоторых процессов.

Металлический кадмий очень токсичен и вызывает смерть при накоплении его организмом в количестве 50 - 60 мг. Токсичны также оксид кадмия и его растворимые соли. Из-за близости ионных радиусов кадмий может замещать кальций. Ионы кадмия могут также взаимодействовать с сульфгидрильными группами белков, ферментов и некоторых аминокислот. При этом образуются, как правило, нерастворимые соединения, что приводит к подавлению активности ферментов и свертыванию белков. Ионы кадмия блокируют одновременно две SH-группы. Атомы серы в этих реакциях выступают в качестве доноров электронов, а ионы кадмия - акцепторов. Наиболее токсичны растворимые соединения кадмия, которые растворяются в липидах и легко проникают через клеточные мембраны.

Отравление кадмием обычно происходит, когда в пищу употребляют зерновые и овощи, выращенные на землях, расположенных вблизи нефтеперегонных заводов и металлургических предприятий. Симптомы: невыносимая боль в мышцах, непроизвольные переломы костей, деформация скелета, нарушения функций легких, почек и других органов.

Канцерогенное действие никотина, находящегося в табачном дыме, как правило, связано с присутствием кадмия.

Выделяется кадмий с калом и мочой. Противоядием для кадмия является селен, но употребление продуктов, богатых этим элементом, приводит к понижению содержания серы, и в этом случае кадмий снова становится опасным.

Превышение нормального содержания кадмия может нарушить солевой обмен: железа, кальция, цинка, магния и меди. Между кадмием и железом существует антагонизм, вследствие чего, например, в проржавевших водопроводных трубах вместо железа находят кадмий, который является опасным врагом нашего организма.

Ртуть так же, как кадмий, относится к примесным токсичным микроэлементам. По токсичности ртуть превосходит кадмий: предельно допустимая концентрация (ПДК) паров ртути в рабочих помещениях составляет 0,01 мг/м³, а кадмия 0,1 мг/м³.

Ртуть естественная составная часть некоторых скальных пород, откуда она переходит в воду (ПДК 0,0005 мг/л), почву (ПДК 2,1 мг/кг), воздух (ПДК 0,0003 мг/ м³). Несмотря на высокую токсичность, ртуть постоянно находится в организме. Концентрируется ртуть в основном в почках. Пары и соединения ртути накапливаются в организме, легко сорбируются легочной тканью, попадают в кровь, подвергаются ферментативному окислению до ионов ртути, которые образуют соединения с молекулами белка, многочисленными ферментами, нарушают обмен веществ, поражают нервную систему.

Отравление парами ртути сопровождается металлическим вкусом во рту, общей слабостью, сильной головной болью, расстройством речи, выпадением волос, зубов и при длительном воздействии может привести к смерти. При остром отравлении солями ртути нарушается деятельность кишечника, происходит сильное воспаление десен и постепенно наступает упадок сердечной деятельности.

Противоядие для первой помощи - рвотные препараты, затем молоко и яичный белок. Выводится ртуть из организма в основном почками. Очень сильным ядом является сулема, но при больших разбавлениях (1:1000) ее применяют для дезинфекции.

Основная мера предосторожности при работе с ртутью и ее соединениями - исключение попадания ртути в организм через дыхательные пути или поверхность кожи. Случайно пролитую ртуть необходимо собрать медной пластинкой, затем обработать поверхность, где была разлита ртуть, серой или раствором хлорида железа (III).