Химия окружающей среды. Химия живых организмов. Курс лекций

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Кафедра экстракции и рециклинга черных металлов

Е.С. Михалина А.Л. Петелин

Химия окружающей среды

Химия живых организмов

Курс лекций

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению Металлургия

Москва 2011

УДК 54.504 М69

Р е ц е н з е н т канд. физ.-мат. наук, доц. Е.А. Новикова

Михалина, Е.С.

М69 Химия окружающей среды : химия живых организмов : курс лекций / Е.С. Михалина, А.Л. Петелин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 64 с.

ISBN 978-5-87623-457-5

В курсе лекций рассмотрено влияние на организм человека макронутриентов и микронутриентов – веществ, принимающих участие в обеспечении жизнедеятельности организма человека. Подробно рассмотрено воздействие на организм ряда отдельных веществ, присутствующих в окружающей среде и естественном круговороте.

Предназначен для подготовки бакалавров по направлению «Металлургия», а также может быть полезен для подготовки дипломированных специалистов по специальности 150109 «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов» и при изучении специальных предметов на второй ступени обучения при подготовке магистров.

УДК 54.504

2

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное издание является продолжением расширенного курса лекций «Химия окружающей среды». В нём подробно рассмотрено воздействие на организм человека ряда отдельных веществ, присутствующих в окружающей среде и естественном круговороте.

В курсе лекций рассмотрено влияние на организм человека макронутриентов и микронутриентов – веществ, принимающих участие в обеспечении жизнедеятельности организма человека.

Предлагаемый материал позволит студентам получить более полное представление о воздействии на организм не только ксенобиотиков, но также витаминов и минеральных веществ, входящих в состав витаминных комплексов. Они смогут ознакомиться с современными научными сведениями относительно механизма действия различных минеральных и витаминных веществ в живых организмах. При изложении материала особое внимание уделялось процессам, протекающим в организме человека. Студенты познакомятся с природными и техногенными веществами, участвующими в биологических процессах, узнают о биологическом действии ряда веществ и способах управления их влиянием на организм человека.

4

1. ВЕЩЕСТВА, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

1.1. Основные пищевые вещества. Современная классификация

В настоящее время самой распространенной классификацией пищевых веществ является следующая.

Макронутриенты:

1)белки;

2)жиры;

3)углеводы.

Микронутриенты:

1)витамины;

2)витаминоподобные вещества;

3)макроэлементы;

4)микроэлементы;

5)микроэлементы белковой природы:

–аминокислоты;

–полипептиды;

6)микронутриенты липидной природы:

–омега-3 полиненасыщенные жирные кислоты;

–гамма-линоленовая кислота;

–фосфолипиды и липотропные вещества;

–фитостерины;

7)микронутриенты углеводной природы:

–пищевые волокна;

–неусваиваемые олигосахариды (пребиотики);

–полисахаридные адъюванты;

8)живые кишечные микроорганизмы (пробиотики);

9)пищевые ферменты растительного происхождения;

10)парафармацевтики:

–гликозиды;

–алкалоиды;

–индолы и изотиоционаты;

–органические полисульфиды;

–фитоэстрогены;

5

–сапонины;

–фитостерины;

–терпены и др. (всего около 1000 парафармацевтиков, обнаруживаемых непосредственно в пищевых продуктах).

Рассмотрим подробно влияние на организм вышеперечисленных веществ, участвующих в жизнедеятельности организма.

1.2.Минералы в организме человека – макро-

имикроэлементы

Биологически значимые элементы (в противоположность биологически инертным элементам) – химические элементы, необходимые организму человека или животного для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Биологически значимые элементы классифицируют на макроэлементы (содержание которых в живых организмах составляет больше 0,001 %) и микроэлементы (содержание менее 0,001 %).

Минералы в человеческом теле – это и так называемые макроэлементы (которых действительно много) и микроэлементы, которых в нем всего 0,04...0,06 %. Между человеческим организмом и окружающей средой постоянно идет обмен веществ, происходит убыль и макро- и микроэлементов. Содержание и тех, и других человеку приходится непрерывно пополнять.

Использование термина «минерал» по отношению к биологически значимым элементам. Микро- и макроэлементы (кроме кислорода, водорода, углерода и азота) попадают в организм, как правило, при приёме пищи. Для их обозначения в английском языке существует термин «Dietary mineral». В конце XX века российские производители некоторых лекарственных препаратов и биологически активных добавок стали использовать для обозначения макро- и микроэлементов термин «минерал», калькируя англоязычное «Dietary mineral». С научной точки зрения такое употребление термина «минерал» является неправильным, в русском языке это слово следует использовать только для обозначения геологического природного тела с кристаллической структурой. Тем не менее производители так называемых биологических добавок, возможно в рекламных целях, стали называть свою продукцию витаминоминеральными комплексами.

Микроэлементы. Термин «микроэлементы» получил особое распространение в медицинской, биологической и сельскохозяйствен-

6

ной научной литературе в середине XX века. В частности, для агрономов стало очевидным, что даже достаточное количество «макроэлементов» в удобрениях (троица NPK – азот, фосфор, калий) не обеспечивает нормального развития растений.

Микроэлементами называются элементы, содержание которых в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Рекомендуемая суточная доза потребления микроэлементов для человека составляет менее 200 мг. В последнее время стал использоваться заимствованный из европейских языков термин «микронутриент» (англ. micronutrient).

Потребность человека в микроэлементах в количественном отношении намного (в 400–500 раз) меньше, чем в макроэлементах, но это именно тот случай, когда «мал золотник, да дорог». Так, фтор необходим для здоровья костной и особенно зубной ткани; цинк, кобальт и медь – кроветворные элементы, а соединения марганца ответственны за рост, размножение и уровень холестерина в крови, недостаток этого элемента ведет к возникновению нервных расстройств. Источником цинка, меди и кобальта служат овощи – морковь, капуста, петрушка и особенно свекла.

Поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма предусматривает в первую очередь поддержание качественного и количественного содержания минеральных веществ в тканях органов на физиологическом уровне.

Основные ультрамикроэлементы. По современным данным более 30 микроэлементов считаются необходимыми для жизнедеятельности растений, животных и человека. Среди них (в алфавитном порядке): бром, железо, йод, кобальт, марганец, медь, молибден, селен, фтор, хром, цинк. Чем меньше концентрация соединений в организме, тем труднее установить биологическую роль элемента, идентифицировать соединения, в образовании которых он принимает участие. К числу несомненно важных относят ванадий, кремний, йод, марганец, селен и др.

В процессе усвоения организмом витаминов, микроэлементов и макроэлементов возможен антагонизм (отрицательное взаимодействие) или синергизм (положительное взаимодействие) между разными компонентами.

Основные причины, вызывающие недостаток минеральных веществ:

– неправильное питание или однообразное питание, некачественная питьевая вода;

7

–геологические особенности различных регионов – наличие эндемических (неблагоприятных) районов;

–большая потеря минеральных веществ по причине кровотечений, болезни Крона, язвенного колита;

–употребление некоторых лекарственных средств, связывающих или вызывающих потерю микроэлементов.

Макроэлементы. Эти элементы слагают плоть живых организмов. К макроэлементам относят те элементы, рекомендуемая суточная доза потребления которых составляет более 200 мг. Макроэлементы, как правило, поступают в организм человека вместе с пищей.

Биогенные элементы:

Эти макроэлементы называют биогенными (органогенными) элементами, или макронутриентами (англ. macronutrient). Из макронутриентов преимущественно построены такие органические вещества, как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Для обозначения макронутриентов иногда используют акроним CHNOPS, состоящий из обозначений соответствующих химических элементов в таблице Менделеева.

Другие макроэлементы. Это калий, кальций, магний, натрий, хлор. Рекомендуемая суточная доза > 200 мг.

Макроэлементов (кальция Са, фосфора Р, магния Mg, калия К, натрия Na, хлора Cl, серы S) человеку требуется сравнительно много: до двух-трех граммов в сутки. А потребность человека в микроэлементах (таких как железо Fe, медь Cu, марганец Mn, цинк Zn, кобальт Co, йод I, фтор F, хром Cr, молибден Mo и др.) составляет в сутки всего лишь несколько миллиграммов, а порой и того меньше. Однако если их не хватает, наступает беда: без одних нарушаются процессы кроветворения, без других не могут нормально функционировать железы внутренней секреции; иначе говоря, становятся невозможны рост, развитие и жизнедеятельность организма.

Все необходимые человеку макро- и микроэлементы должны присутствовать в рационе питания, причем в строго определенном соотношении. В организме должно поддерживаться определённое ки- слотно-щелочное равновесие: натрий, калий, кальций (элементы, которые биохимики и физиологи называют «щелочными») должны

8

преобладать над серой, фосфором, хлором, фтором и другими «кислотными» элементами.

В большинстве распространенных продуктов питания (мясе, рыбе, яйцах, сыре, крупе и мучных изделиях) основная часть минеральных веществ служит источником макро- и микроэлементов кислотного типа. Поэтому ограничиваться в рационе питания одними этими продуктами недопустимо.

Наибольшее «ощелачивающее» действие оказывают овощи и фрукты. Вдобавок овощи – это и важнейший источник калия, помогающего деятельности сердца.

Фосфаты кальция, в частности ортофосфат, составляют минеральную основу костей и зубов. Другие соединения кальция участвуют в нервной и мышечной деятельности, входят в состав тканевой жидкости, ядер и стенок клеточной ткани живого организма. Кальций уменьшает аллергические реакции, а это особенно важно в наше время. Суточная потребность в кальции – от 0,8 до 2 г, а источники этого элемента – молоко и кефир, творог, сыр, рыба, фасоль, петрушка, зеленый лук, а также яйца, гречка, овсянка, морковь и горох.

Но в пище есть и «враги» кальция, которые препятствуют усвоению этого элемента. Главные «антикальцинисты» – это щавелевая кислота и фитин, связывающие кальций в неусвояемую форму. Со щавелевой кислотой кальций образует малорастворимый оксалат кальция, а фитин тоже довольно прочно удерживает кальций. Важно не злоупотреблять блюдами из щавеля и шпината, в листьях которых содержится 0,1...0,5 % щавелевой кислоты. Фитин, присутствующий в овощах и злаках, разрушается при нагревании и поэтому причиняет меньше неприятностей. Поэтому ржаной хлеб полезнее пшеничного – в нем фитина меньше. Однако следует иметь в виду, что в некоторых случаях врачи прописывают фитин как лекарство.

Фосфор также относится к макроэлементам, необходимым организму. Помимо зубной, костной и нервной тканей, фосфорные соединения входят в состав жиров (фосфолипидов), многих белков, биологически активных веществ, таких как ферменты. Фосфор поступает в организм обычно с белковой пищей.

Ученые-медики считают, что следует строго выдерживать соотношение кальция и фосфора, поступающих к человеку с пищей; оптимальным признано соотношение этих элементов, равное 1 : 1 по массе (или, в крайнем случае, 1 : 1,5). При избытке фосфора возможна даже потеря кальция костной тканью (остеопороз), что ведет к уменьшению их прочности и частым переломам.

9

Магний наряду с кальцием в виде ортофосфата образует костную ткань. Им богаты все зеленые овощи: магний входит в состав хлорофилла. Кушайте свежую зелень, желательно круглый год, и вы обеспечите потребность своего организма в магнии, составляющую ежесуточно 0,4 г.

Калий и натрий – два регулятора водно-солевого обмена в организме: калий выводит воду, а натрий накапливает. Обычно в растительной пище калия в 5–10 раз больше, чем натрия, поэтому при гипертонической болезни и при отеках, когда надо избавляться от лишней воды в организме, врачи назначают растительную и бессолевую (без хлорида натрия) диету.

Потребность человека в хлоре обычно удовлетворяется за счёт поваренной соли NaCl. Хлор совершенно необходим для получения соляной кислоты HCl, которая постоянно образуется в желудке. Поскольку хлорид натрия выводится из организма, когда человек потеет, то потребность в поваренной соли у работающих в жарком климате или в горячих цехах больше. Она возрастает до 20...25 г в сутки.

Для кроветворения и тканевого дыхания необходимо железо, входящее в состав гемоглобина крови и миоглобина мышц. Этот элемент переносит кислород в организме. Особенно богаты железом, причем в хорошо усвояемой форме, печень, мясо, рыба, икра, а из фруктов и овощей – яблоки, смородина, гранаты. Однако некоторые медики в последние годы высказывали мнение, что железо усваивается организмом человека лишь из продуктов животного происхождения.

10