Журнал «Здоровье ребенка» 6(15) 2008

Медик без довольного познания химии
совершенен быть не может.
М.В. Ломоносов

Первые фундаментальные работы, касающиеся биологической роли минеральных веществ (макро- и микроэлементов), появились в 40–50-х годах XX века [10, 11, 13]. В настоящее время число исследований в области медицинской элементологии в мире достигает 10 000 ежегодно [3, 18, 24]. Это обусловлено, с одной стороны, внедрением новых диагностических технологий (атомно-адсорбционный анализ, инверсионная вольтамперометрия и другие), с другой — нарастанием актуальности проблемы экозависимой патологии [2, 12, 20].

Из 92 имеющихся в природе химических элементов 81 присутствует в организме человека [14]. Минеральные вещества входят в состав всех жидкостей и тканей. Регулируя более 50 000 биохимических процессов [4, 6, 22], они необходимы для функционирования мышечной, сердечно-сосудистой, иммунной, нервной и других систем; принимают участие в синтезе жизненно важных соединений, обменных процессах, кроветворении, пищеварении, нейтрализации продуктов обмена; входят в состав ферментов и гормонов (йод — в состав тироксина, цинк — инсулина и половых гормонов), влияют на их активность [17, 26].

Наличие ряда минеральных веществ в организме в строго определенных количествах — непременное условие для сохранения здоровья человека. Важно помнить, что макро- и микроэлементы не синтезируются в организме, а поступают с пищевыми продуктами, водой, воздухом [7, 19]. Степень их усвоения зависит от состояния органов дыхания и пищеварения. Элементы способны депонироваться в тканях, а по мере необходимости — поступать в кровь. Совокупность процессов всасывания, распределения, усвоения и выделения находящихся в виде неорганических соединений минеральных веществ составляет минеральный обмен [20].

Минеральные вещества поступают в организм человека в основном алиментарным путем в неактивном состоянии и активизируются, образуя различные соединения с высокомолекулярными белками. Содержание минеральных веществ изменяется в зависимости от времени года: весной уровень макро- и микроэлементов понижается, а в начале осени увеличивается [16]. Считается, что пусковым механизмом уменьшения степени всасывания минеральных веществ в желудочно-кишечном тракте является снижение их концентрации в тканевых депо. Описаны и другие регуляторные процессы, вызванные нарушением соотношения между макро- и микроэлементами или биологическими веществами (гормонами, цитокинами, факторами роста, ферментами) [7, 11]. Путь передачи информации от тканей к клеткам кишечника до конца не изучен. Предполагается, что этот процесс контролируется геном-регулятором и осуществляется низкомолекулярными белками (металлотионеинами) через клетки нервной, иммунной и эндокринной систем [6, 10]. Выведение макро- и микроэлементов из организма осуществляется с мочой, желчью, потом, калом [2].

Организм здорового человека обладает достаточно четкой системой саморегуляции. При избыточном поступлении макро- и микроэлементов начинает работать система элиминации. В желудочно-кишечном тракте блокируется всасывание элементов, и они выводятся с калом. Дефект какого-либо звена является причиной избытка или недостатка элемента либо дисбаланса других биологически активных веществ (гормонов, витаминов, ферментов), участвующих в сложных процессах регуляции, и проявляется различными клиническими симптомами [4, 21].

Минеральные вещества в зависимости от их количества в организме человека подразделяются на макро- и микроэлементы [20]: макроэлементы — вещества, содержание которых превышает 0,01 % массы тела; микроэлементы — вещества, концентрация которых в организме равна или менее 0,01 % массы тела (от 0,01 до 0,000000000001 %). Микроэлементы с содержанием ниже 10-5 % (золото, ртуть, уран, радий и др.) относятся к ультрамикроэлементам («следовые элементы» (trace elements) в немецко- и англоязычной литературе, «олигоэлементы» во франкоязычной литературе) [23]. В.И. Вернадский в своих трудах называет их «рассеянными элементами» [10].

В организме здорового человека присутствуют 12 макроэлементов (C, H, O, N, Ca, Cl, F, K, Mg, Nа, P, S) и 69 микроэлементов [2]. При этом у взрослого содержание кальция в среднем составляет более 1200 г, фосфора — свыше 600 г, магния — 20 г, железа — 3–5 г. В костях скелета сосредоточено 99 % кальция, 87 % фосфора и 58 % магния. Хлористого натрия особенно много в подкожной жировой клетчатке, железа — в печени, калия — в мышцах, йода — в щитовидной железе [14]. Важно отметить, что тканевые депо обладают мощными резервами макроэлементов, тогда как тканевые резервы микроэлементов незначительны. Этим объясняются низкие адаптационные возможности организма к дефициту микроэлементов в пище [19].

Большой интерес представляют данные о содержании химических элементов в различные периоды жизни. В процессе роста и развития разные органы и ткани способны избирательно концентрировать определенные микроэлементы. Установлено, что к моменту рождения увеличивается содержание меди, цинка, кремния, алюминия в сером и белом веществе головного мозга, в печени — меди (в 16 раз), железа (в 2 раза). Это возраст микроэлементного благополучия — концентрация многих микроэлементов во много раз выше по сравнению с другими периодами жизни ребенка [20].

Суточная потребность детей в макро- и микроэлементах представлена в табл. 1 [7].

По степени значимости для организма человека макро- и микроэлементы делят на следующие группы [12, 20]:

— жизненно важные (эссенциальные) элементы — это все макроэлементы (H, O, N, C, Ca, Cl, F, K, Mg, Na, P, S) и 8 микроэлементов (Cr, Cu, Fe, I, Mn, Mo, Se, Zn);

— жизненно важные, но способные вызвать патологические изменения в организме, находясь в дозах, превышающих норму (условно эссенциальные) микроэлементы (B, Co, Ge, Li, Si, V);

— потенциально токсичные микроэлементы и ультрамикроэлементы (Ag, As, Au, Br, Ce, Cs, Dy, Er, Eu, Ga, Gd, Hf, Ho, In, Ir, La, Lu, Nb, Nd, Ni, Os, Pd, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, Sb, Sc, Sm, Sn, Sr, Ta, Tb, Te, Th, Ti, Tm, U, W, Y, Yb, Zr);

— токсичные элементы (Al, Cd, Pb, Hg, Be, Ba, Tl, Вi).

О биологической роли элемента недостаточно судить только по его содержанию в тканях. Дефицит ряда микроэлементов (Cr, Cu, Fe, I, Mn, Mo, Se, Zn) способен нарушить баланс практически всех обменных процессов в организме. Биологическая активность вещества может сохраняться и в очень низких его концентрациях, в то время как в повышенных относительно нормы концентрациях даже незаменимые микроэлементы способны проявлять токсическое действие [21].

Значение отдельных минеральных веществ для организма ребенка представлено в табл. 2 [4].

Основные эффекты потенциально токсичных и токсичных элементов на организм ребенка изложены в табл. 3.

Макро- и микроэлементы являются активаторами более 300 ферментов [6, 17]. Большинство биохимических реакций протекают в организме по следующей схеме: субстрат + фермент + микроэлемент-активатор (кофактор) = реакция. Отсюда следует, что в отсутствие активирующего микроэлемента реакция невозможна или замедлена, протекает с повышенными затратами энергии и времени. Механизм действия макро- и микроэлементов следующий: присоединяясь к высокомолекулярным биополимерам, элементы выступают как организаторы третичной и четвертичной структур белков и активных центров ферментов. Ионы металлов часто включены в простетическую группу фермента, реже они образуют с белком-ферментом прочное соединение. Многие катионы, например Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, на короткое время связывают очень непрочно либо субстрат и фермент, либо при образовании протеидов — кофермент с апоферментом. Большинство ферментов тем или иным образом связаны с макро- и микроэлементами: они поддерживают пространственную конфигурацию, в которой проявляется каталитическая активность [18].

По иммуномодулирующему эффекту макро- и микроэлементы делят на следующие группы [5, 8]:

— эссенциальные (жизненно важные) для иммунной системы (Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Se, Mn, Li);

— иммунотоксичные (Al, As, B, Ni, Cd, Pb, Hg, Be, Вi, Tl, Ge, Au и др.).

Микроэлементы (в наибольшей степени селен, железо и цинк) оказывают многоплановое воздействие на все звенья врожденного и приобретенного иммунитета, влияя на процессы пролиферации и дифференциации клеток иммунной системы, снижая активность перекисного окисления липидов (активность супероксиддисмутазы) [1, 25]. Результаты исследований M. Bonham et al. [27], M. Failla [23] позволили сформулировать общие положения о взаимосвязи между обеспеченностью организма микроэлементами и уровнем противоинфекционной защиты:

1) неадекватное обеспечение макро- и микроэлементами обусловливает подавление активности различных клеток макроорганизма, в том числе участвующих в неспецифических и специфических механизмах противоинфекционной защиты;

2) нарушения в иммунной системе, вызванные дефицитом макро- или микроэлементов, достаточны для достоверного увеличения риска осложненного течения и летального исхода вирусных, микробных и паразитарных инфекций;

3) коррекция дефицита макро- и микроэлементов в организме человека обусловливает восстановление уровня иммунокомпетентности.

Специфическая роль целого ряда элементов определяется свойствами образуемых ими ионов: зарядом, размерами, способностью вступать в реакции. Для процессов жизнедеятельности организма наиболее важны катионы К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺, анионы Cl^–, образующиеся при диссоциации угольной и фосфорной кислот. Эти ионы играют главную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, осмотического давления цитоплазмы и других биологичecких жидкостей, в свертывании крови, т.е. имеют решающее значение в создании и сохранении постоянства внутренней среды. Они влияют на состояние белков, функции возбудимых мембран, мышечное сокращение, аккумулирование энергии [16].

Таким образом, физиологическое значение макро- и микроэлементов определяется их участием:

— в структуре и функции большинства ферментативных систем и процессов, протекающих в организме;

— пластических процессах и построении тканей;

— формировании иммунитета;

— поддержании кислотно-основного состояния;

— регуляции водно-солевого обмена.

Концентрацию макро- и микроэлементов в организме можно определить по их содержанию в крови, волосах, ногтях, слюне, желудочном соке, моче, грудном молоке [12, 20]. Исследование минеральных веществ в биологических жидкостях имеет свои ограничения. Так, определение содержания многих макро- и микроэлементов в крови часто не отражает истинные показатели их концентрации в тканях ввиду деятельности эндокринной, вегетативной и других систем организма, обеспечивающих гомеостаз. В то же время определение токсичных элементов в крови важно в диагностике интоксикации, имеющейся в момент анализа крови. Содержание элементов в суточной моче отражает их выведение в течение текущих суток [12]. Наиболее достоверным показателем концентрации минеральных веществ в тканях являются волосы. Взятие данного биоматериала безболезненно и просто в осуществлении. Следует помнить о различии уровня содержания макро- и микроэлементов в зависимости от пола, возраста, длительности проживания в регионах, профессии [2, 3, 22].

Патологические состояния, обусловленные дефицитом, избытком или дисбалансом макро- и микроэлементов в организме человека, академиком А.П. Авцыном в 1983 году были названы микроэлементозами [10]. Предложенная им классификация представлена в табл. 4.

В Международной классификации болезней 10-го пересмотра как самостоятельные нозологические единицы выделены следующие рубрики [12]:

1. Дефициты минеральных веществ:

E87.6 — дефицит калия;

Е58 — дефицит кальция;

Е61.2 — дефицит магния;

Е61.1 — дефицит железа;

Т61.0 — дефицит меди;

E61.3 — дефицит марганца;

Е61.4 — дефицит хрома;

Е59 — дефицит селена;

Е61.5 — дефицит молибдена;

Е61.8 — дефицит йода.

2. Токсическое действие:

Т56.0 — свинца и его соединений;

Т56.1 — ртути и ее соединений;

Т56.3 — кадмия и его соединений;

Т56.6 — олова и его соединений;

Т57.1 — фосфора и его соединений;

Т60.4 — таллия;

Т56.9 — других металлов.

Частые причины нарушения минерального статуса в организме взрослых и детей [3, 9, 16]:

1. Нерациональное питание — наиболее распространенная причина недостатка минеральных веществ. Однообразное питание или употребление в пищу низкокачественных продуктов часто приводят к дефициту жизненно важных минеральных веществ в организме. Некоторые пищевые продукты могут препятствовать всасыванию минеральных веществ. Так, молочные продукты, чай и кофе способны связывать железо в кишечнике, что тормозит его всасывание.

2. Некачественная питьевая вода может быть причиной избытка и недостатка макро- и микроэлементов в организме. Например, такое заболевание, как флюороз, проявляющееся разрушением зубов и снижением функции иммунной системы, вызывается потреблением питьевой воды с избыточным содержанием фтора.

3. Геологические особенности различных регионов Земли. Минеральные вещества попадают в продукты питания и воду из почвы. Известно, что минеральные вещества встречаются в разных количествах в различных регионах земного шара. Регионы с недостаточным или избыточным содержанием минеральных веществ называются эндемическими, так как на их территории часто возникают заболевания, связанные с нарушением обмена минералов. Например, существуют зоны с недостаточным содержанием йода. В таких регионах снижение функции щитовидной железы (зоб) как следствие недостатка йода встречается чаще, чем в регионах с нормальным содержанием йода в почве. Флюороз также встречается в основном в определенных регионах Земли.

4. Избыточная потеря минеральных веществ, которая может возникать на фоне рационального питания в результате хронических кровотечений (дефицит железа при нарушении менструального цикла, болезни Крона, язвенном колите и др.). Еще одним примером избыточной потери минеральных веществ является дефицит натрия, калия и хлора, возникающий при остром обезвоживании вследствие рвоты или диареи.

5. Хронические заболевания внутренних органов могут значительно нарушить обмен минеральных веществ в организме. Хронические гастриты с пониженным выделением соляной кислоты, хронические энтериты способны приводить к недостатку железа, меди, цинка и других минералов. Происходит это потому, что поврежденная слизистая оболочка органов желудочно-кишечного тракта не способна всасывать минеральные вещества. При хронических заболеваниях почек (хронический пиелонефрит, хронический гломерулонефрит) увеличивается потеря минеральных веществ с мочой.

6. Лечение ксенобиотиками — чужеродными для человека веществами (синтезированными химическими соединениями). Так, прием мочегонных средств приводит к дефициту калия, магния, кальция, избытку натрия; антациды, цитрамон вследствие содержания в своем составе алюминия могут стать причинами поражений сосудов головного мозга, остеомаляции; аспирин, контрацептивы, антиаритмические препараты вследствие дисбаланса меди могут вызывать появление поражений суставов (артриты, артрозы).

7. Пищевые добавки из-за длительного приема или большого количества того или иного элемента могут вызывать микроэлементозы.

8. Возрастные особенности организма. В различные периоды жизни потребность человека в минеральных веществах и витаминах различна. Например, в период роста организм ребенка нуждается в больших количествах минералов (кальций, фосфор) в сравнении с организмом взрослого человека. Дефицит железа часто возникает у девочек с обильными менструациями. Организм пожилого человека нуждается в больших количествах кальция для поддержания состояния достаточной минерализации костей.

9. Физическое или эмоциональное напряжение может стать причиной дефицита жизненно необходимых макро- и микроэлементов.

10. Генетика и наследственность: предрасположенность к нарушению обмена микроэлементов, например, избыток молибдена в организме беременной женщины повышает риск развития подагры, камнеобразования (уратов) у ребенка; дефицит меди — пороков развития; дефицит селена и марганца — онкологических заболеваний; дефицит хрома и цинка — сахарного диабета, раннего развития атеросклероза.

11. Бытовое загрязнение: табачный дым, содержащий кадмий, краски для волос, содержащие никель, дезодоранты, содержащие алюминий, алюминиевая посуда, зубные пломбы, содержащие ртуть и кадмий, являются реальной причиной развития микроэлементозов.

Риск развития дефицита макро- и микроэлементов имеют дети [7, 15]:

— в период наиболее интенсивного роста;

— занимающиеся спортом;

— больные (острые инфекционные заболевания вирусного или бактериального генеза; патология сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта);

— длительно принимающие некоторые лекарственные препараты (фенобарбитал, диуретики, слабительные);

— проживающие в семьях с низким социально-экономическим уровнем;

— проживающие в экологически неблагоприятной среде.

Микроэлементозы могут носить эндемический характер, например эндемический зоб, флюороз [2]. При дисбалансе минеральных веществ, вызванном алиментарным фактором, неблагоприятной экологической ситуацией, заболеваниями (в том числе и генетически детерминированными — болезнь Вильсона — Коновалова, энтеропатический акродерматит), сопровождающимися нарушением всасывания микроэлементов или длительным применением некоторых лекарственных веществ, микроэлементы вступают в конкурентные взаимоотношения и могут вызвать парадоксальные реакции [20]. Наиболее высока чувствительность к химическим агентам у эмбриона, новорожденного, ребенка раннего возраста, что объясняется индивидуальной гиперчувствительностью и этническими особенностями реакции на ксенобиотики [13]. Установлены новые закономерности развития вторичной иммунной недостаточности у детей под влиянием загрязнения окружающей среды солями тяжелых металлов [2, 5, 21]. Доказано, что нарушения в системах интерфероногенеза и фагоцитоза встречаются при этом чаще и выражены более интенсивно, чем сдвиги показателей клеточного и гуморального иммунитета [1, 8]. Доказана прямая зависимость роста заболеваемости (в том числе наследственного характера) детей от общего ухудшения экологической обстановки [10, 14]. Это касается прежде всего геохимической обстановки в крупных промышленных городах [2].

Таким образом, важнейшие функции организма человека — реализация генетической информации, образование субклеточных структур, метаболические процессы, выработка энергии, функционирование всех органов и систем — зависят от количественного и качественного содержания в организме минеральных веществ. Изучение их биологической роли является актуальным для клинической педиатрии, а новые научные исследования, уточняющие место макро- и микроэлементов в этиологии, патогенезе и особенностях течения многих заболеваний, перспективны в поиске путей повышения эффективности лечения и профилактики.