Биогеохимические провинции и цепи химических элементов

В процессе эволюции организмы адаптировались к определенному химическому составу среды. Это обусловило как разнообразие химического состава флоры и фауны, так и повышенную чувствительность организмов к изменениям концентрации в среде тех или иных элементов.

Поскольку состав поверхости земли неоднородный, на ней имеются области с повышенным или пониженным содержанием тех или иных химических элементов. Эти области, отличающиеся от соседних по содержанию в них химических элементов и вызывающие различную биологическую реакцию со стороны флоры и фауны, называются биогеохимическими провинциями.

Биологические реакции организмов на изменение геохимических факторов могут проявляться в следующих формах:

1. толерантности (приспосабливаемости)

2. образовании новых рас, видов, подвидов

3. эндемических заболеваний

4. уродств и гибели организмов

Уродства и гибель встречаются в случаях резкой недостаточности или избыточности какого-либо элемента в среде (рис.5).

Нормальное содержание

Умеренный недостаток или избыток

Резкий недостаток

Резкий избыток

5-20 %

Нормаль-ные

процессы

обмена

веществ

Количест-венные изменения в пределах обычных

Эндемические качественные изменения тканевого метаболизма

Специфические дисфункции – эндемические болезни

Приспособившиеся организмы (80-95 %)

Изменчивость - эволюция

Морфологические изменения

Уродства

Рис.5 Биологические реакции организмов на изменения содержания химических элементов в среде.

Накопление химических элементов организмами определяется не только их биологической природой и геохимией среды, но и пищевыми цепями (рис.6). В пищевой цепиможет происходить уменьшение концентрации одних химических элементов и накопление других.

Микроэлементы почвы

Растения

Корма и пищевые растительные

вещества

Микроэлементы горных пород

Микроэлементы

воздуха

Организмы человека и животных

Корма и пищевые вещества животного происхождения

Микроэлементы воды

Животные (промежуточные звенья)

Рис. 6 Структура биохимических пищевых цепей

Взаимодействие минеральных элементов между собой и с другими питательными веществами

Минеральные вещества могут взаимодействовать как между собой, так и с другими питательными веществами и другим факторами. Это взаимное влияние типа синергизма или антагонизма осуществляется в самой пище, в пищеварительном канале, а также в процессе тканевого и клеточного метаболизма.

Знание этих закономерностей позволяет предупреждать нежелательные формы взаимодействия и явления вторичной минеральной недостаточности.

1. Взаимодействия между минеральными элементами

Вероятность взаимодействия между минеральными веществами значительно выше, чем между другими питательными веществами, вследствие их лабильности и способности к образованию связей.

Взаимосвязи могут быть в форме синергизма или антагонизма.

Синергистами считают такие элементы, которые:

1. взаимно способствуют абсорбции друг друга в пищеварительном канале;

2. взаимодействуют в осуществлении какой-либо обменной функции на тканевом и клеточном уровне.

Синергизм минеральных элементов в области желудочно-кишечного тракта предполагает возможность следующих механизмов взаимодействия:

1. непосредственное взаимодействие элементов (кальция и фосфора, натрия и хлора, цинка и молибдена), когда уровень абсорбции определяется их оптимальным соотношением в рационе;

2. взаимодействие, опосредованное через процессы фосфорилирования в стенке кишечника и активность пищеварительных ферментов (например, влияние фосфора, цинка, кобальта на освобождение из пищи и абсорбцию других элементов);

3. непрямое взаимодействие путем стимуляции роста и активности микрофлоры в желудке и кишечнике.

Механизмы синергического взаимодействия на уровне тканевого и клеточного метаболизма:

1. прямое взаимодействие элементов в структурных процессах (взаимодействие кальция и фосфора в образовании костей, совместное участие Fe и Cu в образовании гемоглобина, взаимодействие Mn и Zn в конформации молекул РНК печени);

2. одновременное участие элементов в активном центре какого-либо фермента (Fe и Mo в составе ксантин- и альдегидоксидаз, Cu и Fe в составе цитохромоксидаз);

3. активирование ферментных систем и усиление синтетических процессов, требующих для своего осуществления присутствия других минеральных элементов (активация синтеза ионами Mg²⁺ с последующим включением в синтез Р, S и других элементов);

4. активирование функций эндокринных органов и опосредованнное влияние через гормоны на обмен других макро- и микроэлементов (йод – тироксин – усиление анаболических процессов – задержка К и Mg в организме).

Антагонистами считаются элементы, которые:

1. тормозят абсорбцию друг друга в пищеварительном канале;

2. оказывают противоположное влияние какую-либо биохимическую функцию в организме.

В отличие от синергизма, который чаще бывает взаимным, антагонизм может быть либо обоюдным, либо односторонним. Так, фосфор и магний, цинк и медь взаимно тормозят абсорбцию друг друга в кишечнике, а кальций ингибирует абсорбцию цинка и марганца (но не наоборот).

Механизмы антагонистических взаимосвязей в пищеварительном тракте:

1. простое химическое взаимодействие элементов (образование фосфата магния при избытке последнего в рационе, взаимодействие меди с сульфатом, образование тройной соли Ca – P – Zn при повышенных дозах кальция в рационе);

2. адсорбция на поверхности коллоидных частиц (фиксация Mn и Fe на частицах нерастворимых солей магния или алюминия);

3. влияние B, Pb, Tl и др. на окислительное фосфорилирование в стенке, сокоотделение и активность ферментов (что ухудшает расщепление пищевых ингредиентов, освобождение и всасывание неорганических ионов);

4. конкуренция за вещество-переносчик ионов в кишечной стенке (например, Co – Fe).

Механизмы антагонистических взаимосвязей на уровне тканевого метаболизма:

1. непосредственное взаимодействие простых и сложных неорганических ионов (например, медь-молибден);

2. конкуренция ионов за активные центры ферментов (например, Mg²⁺ и Mn²⁺ в металлоферментных комплексах щелочной фосфатазы, холинэстеразы и др.);

3. конкуренция за связь с веществом-переносчиком в крови (Fe²⁺ и Zn²⁺ как конкуренты за связь с трансферрином плазмы);

4. активирование ионами ферментных систем с противоположной функцией (активация ионами меди аскорбиноксидазы, окисляющей аскорбиновую кислоту, и активация ионами цинка и марганца лактоназ, способствующих синтезу этого витамина);

5. антагонистическое влияние ионов на один и тот же фермент (активация АТФ-азы ионами магния и торможение ионами кальция);

6. смягчение ионами биотических элементов токсического влияния тяжелых металлов, присутствующих в пище и средах организма (например, уменьшение уровня свинца в организме при добавках меди, цинка, марганца).

Таким образом, антагонизм минеральных элементов – это сложный комплекс биотических взаимоотношений. Итогом его не всегда является снижение уровня того или иного элемента и его повышенная экскреция из организма. Иногда антагонизм выполняет протекторную роль в отношении биохимических функций, и лишь при резком нарушении соотношения ионов наблюдаются отклонения в уровне обменных процессов.

Рис. 4. Синергизм минеральных элементов

Рис. 5. Антагонизм минеральных элементов односторонний;

взаимный.

Как видно на рисунках, количество положительных связей значительно меньше, чем антагонистических. Характер взаимодействия между минеральными веществами может меняться при их недостатке или избытке, так же, как и других элементов в пище. Так, медь может оказаться токсичной для организма даже при ее нормальном содержании в рационе, если в нем недостаточно молибдена.