Биологическая активность мышьяка, меди и ванадия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева»

Реферат

по дисциплине «Общая и неорганическая химия»

на тему «Биологическая активность мышьяка, меди и ванадия»

Работа выполнена Михайловой Наталией Петровной

Научный руководитель Козлов В. А.

Чебоксары 2013

Содержание

Введение

Биологическая роль мышьяка

Симптомы передозировки и дефицита мышьяка

Биологическая роль меди

Дефицит и избыток меди в организме человека

Краткая характеристика ванадия и его роль в организме человека

Симптомы передозировки и дефицита ванадия

Заключение

Использованная литература

Введение

В организме человека и животных с помощью современных аналитических методов исследования обнаружено около 70 химических элементов.

Человек и животные получают микроэлементы из продуктов питания, воды и атмосферного воздуха.

Микроэлементы являются экзогенными химическими факторами, играющими значительную роль в таких жизненно важных процессах, как рост, размножение, кроветворение, клеточное дыхание, обмен веществ и др. Микроэлементы образуют с белками организма специфические металлоорганические комплексные соединения, являющиеся регуляторами биохимических реакций. В случае аномального содержания или нарушенного содержания или нарушенного соотношения микроэлементов в окружающей среде в организме человека могут развиться нарушения с характерными клиническими симптомами, главным образом в связи с нарушением функций ферментов, в состав которых они входят или их активируют. В результате нарушения функционирования одной или нескольких ферментных систем, вызываемого тем или иным этиологическим фактором, блокируя нормальный ход соответствующий ход соответствующих процессов обмена.

В своей работе я попытаюсь рассмотреть биологическую роль таких микроэлементов, как мышьяк, медь и ванадий. Перед собой я поставлю цель узнать реакцию организма при их избытке и недостатке.

Биологическая роль мышьяка

Услышав слово «мышьяк» многие, прежде всего, вспомнят о его ядовитых свойствах. И это совершенно справедливо, поскольку мышьяк действительно является сильнейшим ядом. Однако следует также знать, что мышьяк входит в перечень элементов, жизненно необходимых нашему организму.

Биологическая роль мышьяка изучена не до конца. В экспериментах на животных было показано, что рационы, бедные по содержанию мышьяка, вызывают снижение массы приплода, увеличению числа выкидышей, увеличению смертности как матерей, так и приплода, снижению воспроизводительной функции. Следует также отметить, что мышьяк - один из наиболее токсичных элементов.

Эффект воздействия мышьяка на организм человека напрямую зависит от его количества. В больших дозах этот элемент способен серьезно навредить, а в малых дозах он очень полезен.

В организме взрослого человека содержится всего около 15-20 миллиграммов мышьяка. Основная его часть концентрируется в печени, тонком кишечнике, легких и эпителии, а также в волосах и ногтях. Областью всасывания элемента является желудочно-кишечный тракт, именно таким образом в организм попадает до 80 процентов мышьяка. Остальная часть проникается через легкие и кожу.

Прежде всего, мышьяк необходим для более полного усвоения таких важных элементов, как фосфор и азот.

Кроме того, мышьяк является активным участником некоторых ферментативных реакций. Являясь активатором фермента, мышьяк действует как заместитель фосфата.

Попадая в организм, мышьяк начинает взаимодействовать с некоторыми видами кислот, в том числе глутатионом, цистеином и липоевой кислотой, ослабляя нежелательные окислительные процессы в митохондриях. Также мышьяк активно взаимодействует с тиоловыми группами в белках.

Доказано, что этот элемент улучшает кроветворение и стимулирует обмен веществ.

Всасыванию мышьяка препятствуют витамины С и Е, сера, селен, фосфор и некоторые аминокислоты.

При взаимодействии с некоторыми веществами происходит обратная ситуация. Усвоение витаминов А, С, Е, фолиевой кислоты, селена и цинка под воздействием мышьяка осуществляется значительно хуже.

Мышьяк содержится практически во всех продуктах животного и растительного происхождения, поэтому снабдить организм этим элементом совсем не сложно.

Среди продуктов животного происхождения максимальное количество мышьяка содержат некоторые виды морских рыб, моллюски, креветки, омары, лангусты и прочие морепродукты, а также рыбий жир.

Мышьяк входит в состав зерна и продуктов из злаковых культур. В большом количестве содержится в виноградном вине и табаке.

Нередко мышьяк попадает в наш организм с питьевой водой.

Симптомы передозировки и дефицита мышьяка

Дефицит мышьяка встречается достаточно редко. Его недостаток влечет за собой замедление роста и развития организма. Кроме того, нехватка мышьяка может спровоцировать снижение в крови уровня триглицеридов - жиров, ответственных за выработку энергии в организме.

Порог токсичности данного элемента составляет от 5 до 50 мг в сутки. Превышение указанной дозы чревато летальным исходом.

К причинам избытка мышьяка относят избыточное поступление с загрязненными пищевыми продуктами, водой, воздухом, при табакокурении, а также во вредных условиях труда; суицидальные отравления; нарушение обмена. Передозировка мышьяка вызывает аллергические реакции, головные боли, нарушения в работе нервной системы, повышение раздражительности. Кроме того, возможны проблемы с кожей (дерматит, экзема или язвы), глазные заболевания (конъюнктивит) и поражение органов дыхания. В некоторых случаях возникает нефропатия, внутрисосудистый гемолиз, эндоангиит и кардиогенный шок. Переизбыток мышьяка существенно увеличивает риск развития онкологических заболеваний.

Последствия избытка мышьяка:

o диспепсические явления, гастрит, гепатит

o сухость носоглотки, насморк, изъязвления носовой перегородки

o раздражение конъюнктивы, слезотечение и светобоязнь, отек век

o ларингит, трахеит, бронхит

o стоматит

o сыпь, фурункулез, экзема, пигментация кожа

o атрофия и ломкость ногтей

o преждевременное поседение и выпадение волос

o нарушение вкуса и обоняния

o речевые расстройства, полиневриты, депрессии

o нарушение функций печени, развитие жирового гепатоза

o нефропатия

o поражение кровеносных сосудов

o увеличение риска развития новообразований кожи, печени, легких.

Биологическая роль меди

В организме взрослого человека содержится около 100 мг меди. В основном медь концентрируется в печени, в головном мозге, в крови. Средняя дневная доза потребления меди для человека 4--5 мг. Медь является необходимым микроэлементом растительных и животных организмов. Это связано со следующими ее особенностями. Во-первых, ионы меди по сравнению с ионами других металлов жизни активнее реагируют и образуют более устойчивые комплексы с аминокислотами и белками. Во-вторых, ионы меди служат исключительно эффективными катализаторами, особенно в сочетании с белками. В-третьих, медь легко переходит из одного валентного состояния в другое, что особенно благоприятствует ее метаболическим функциям. Например, при активации молекулы кислорода в реакциях окисления органических соединений.

Медьсодержащие ферменты окисления оксигеназы [ОКГСu+] присоединяют молекулу кислорода с образованием пероксидной цепочки и окислением меди из Сu+ в Сu2+.

Важную физиологическую функцию выполняет фермент су-пероксиддисмутаза [СОДСu2+], ускоряя реакцию разложения супероксид-иона *О2-, возникающего при свободнорадикальном окислении веществ в клетке. Этот радикал очень активно взаимодействует с разными компонентами клетки, разрушая их. Супероксиддисмутаза, взаимодействуя с супероксидионом *O2-, превращает его в молекулярный кислород и в пероксид водорода, при этом атом меди фермента выступает и окислителем, и восстановителем:

[СОДСu2+] + *O2- = [СОДСu+] + О2

[СОДСu+] + *О2-+ 2Н+ = [СОДСu2+] + Н2О2

Важную роль в дыхательной цепи играет фермент цитохромоксидаза, которая кроме меди содержит еще и железо. Цитохромоксидаза катализирует перенос электронов от окисляемого вещества на молекулярный кислород. В ходе каталитического процесса степени окисления меди и железа обратимо изменяются, а восстанавливающийся кислород, присоединяя протоны, превращается в воду:

2[Fе2+ЦХОСu+] + О2 + 4Н+ ==> 2[Fе3+ЦХОСu2+] + 2Н2О

Многопрофильную функцию в организме выполняет медьсодержащий белок плазмы крови -- церулоплазмин [ЦПСu2+]. В церулоплазмине присутствует 98 % меди, имеющейся в плазме крови, и он выполняет не только роль резервуара для меди, но и транспортную функцию, регулируя баланс меди и обеспечивая выведение избытка меди из организма. Кроме того, церулоплазмин катализирует окисление Fе2+ в Fе3+, участвуя в кроветворении:

[ЦПСu2+] +Fe2+ => Fe3++[ЦПCu+]

Медь вместе с железом участвует в кроветворении. Дефицит меди может привести к разрушению эритроцитов, а также нарушению остеогенеза с изменениями в скелете, аналогичными наблюдаемым при рахите. У моллюсков и членистоногих кислород переносится медьсодержащим белком гемоцианином [ГЦСu+]. В отличие от гемоглобина гемоцианин находится только в плазме, а не в клетках, и, кроме того, в процессе связывания н освобождения кислорода происходит окисление и восстановление меди в гемоцианине, что объясняет голубой цвет крови у этих организмов:

[ГЦСu+]+O2=[ГЦСu2+]O2+ е -

Возникшие в процессе эволюции высшие организмы для переноса кислорода используют гемоглобин, обеспечивающий более высокие концентрации кислорода в крови.

Дефицит и избыток меди в организме человека

Причины дефицита меди:

§ Недостаточное поступление меди.

§ Длительный прием кортикостероидов, нестероидных противовоспалительных препаратов, антибиотиков.

§ Длительное использование антацидов и очень высоких доз цинка приводят к гипокупремии и симптомам дефицита меди.

§ Дефицит меди наблюдался у пациентов, находящихся длительно на полном парентеральном питании.

§ Заболевания, протекающие с мальабсорбцией (целиакия и нетропическая спру), или желудочно-кишечные фистулы приводят к потере меди и увеличивают риск истощения ее запасов.

§ Нарушение регуляции обмена меди.

Основные проявления дефицита меди:

§ Торможение всасывания железа, нарушение гемоглобинообразования, угнетение кроветворения, развитие микроцитарной гипохромной анемии.

§ Лейкопения и нейтропения.

§ Ухудшение деятельности сердечно-сосудистой системы, увеличение риска ишемической болезни сердца, образование аневризм стенок кровеносных сосудов, кардиопатии.

§ Ухудшение состояния костной и соединительной ткани, нарушение минерализации костей, остеопороз, переломы костей.

§ Угнетение функций иммунной системы.

§ Усиление предрасположенности к бронхиальной астме, аллергодерматозам.

§ Дегенерация миелиновых оболочек нервных клеток, увеличение риска развития рассеянного склероза.

§ Нарушение пигментации волос, витилиго.

§ Увеличение щитовидной железы (гипотиреоз, дефицит тироксина).

§ Задержка полового развития у девочек, нарушение менструальной функции, снижение полового влечения у женщин, бесплодие.

§ Развитие дистресс-синдрома у новорожденных.

§ Нарушение липидного обмена (атеросклероз, ожирение, сахарный диабет).

§ Ускорение старения организма.

§ Явный дефицит меди сопровождается гипокупремией и низким уровнем церулоплазмина (до 30% от нормы и ниже).

§ При умеренном дефиците меди (при потреблении ее в количестве, соответствующем нижней границе нормы в течение длительного периода) возможны следующие состояния: артрит, потеря пигментации, заболевания миокарда и неврологические симптомы.

Повышенное содержание соединений меди в организме весьма токсично для человека.

Причины избытка меди:

§ Избыточное поступление в организм (вдыхание паров и пыли соединений меди в условиях производства, бытовые интоксикации растворами соединений меди, использование медной посуды).

§ Нарушение регуляции обмена меди.

Основные проявления избытка меди:

§ Функциональные расстройства нервной системы (ухудшение памяти, депрессия, бессонница).

§ При вдыхании паров может проявляться "медная лихорадка" (озноб, высокая температура, судороги в икроножных мышцах).

§ Воздействие пыли и окиси меди может приводить к слезотечению, раздражению конъюнктивы и слизистых оболочек, чиханию, жжению в зеве, головной боли, слабости, болям в мышцах, желудочно-кишечным расстройствам.

§ Нарушения функций печени и почек.

§ Поражение печени с развитием цирроза и вторичным поражением головного мозга, связанным с наследственным нарушением обмена меди и белков (болезнь Вильсона-Коновалова). Болезнь Вильсона-Коновалова и некоторые другие заболевания, связанные с накоплением меди в печени и других тканях - это генетическая патология. Содержание меди в печени повышается при циррозе у детей в Индии, очень высок ее уровень при первичном билиарном циррозе и атрезии желчевыводящих путей. При этих состояниях в большей мере рекомендуется назначение хелатообразующих препаратов, чем ограничение меди в рационе.

§ Аллергодерматозы.

§ Увеличение риска развития атеросклероза.

§ Гемолиз эритроцитов, появление гемоглобина в моче, анемия.

§ Чрезмерное поглощение меди человеком приводит к избыточному отложению данного элемента в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и миокарде.

Основными показаниями для определения содержания меди в крови являются: клинические признаки дефицита меди, болезнь Вильсона-Коновалова (патология печени, обусловленная нарушением функции церулоплазмина - медьсодержащего белка).

Усвоение и обмен меди тесно связаны с содержанием в пище других макро- и микроэлементов и органических соединений.

Усиленный прием молибдена и цинка может привести к дефициту меди. Существует физиологический антагонизм меди с молибденом и сульфатной серой, а также марганцем, цинком, свинцом, стронцием, кадмием, кальцием, серебром. Железо, антациды, танины, аскорбиновая кислота также способны снижать усвоение меди. Избыток данных элементов, наряду с низким содержанием меди в продуктах питания, может обусловить значительный дефицит последней в организмах человека, что в свою очередь приводит к анемии, снижению интенсивности роста, потере живой массы, а при острой нехватке металла (менее 2-3 мг в сутки) возможно возникновение ревматического артрита и эндемического зоба.

Кобальт (в умеренных физиологических дозах) повышает усвоение меди организмом.

В свою очередь, медь может тормозить усвоение организмом железа, кобальта, цинка, молибдена, витамина А. Оральные контрацептивы, гормональные средства, препараты кортизона способствуют усиленному выведению меди их организма.

Для купирования дефицита меди можно использовать продукты богатые медью, особенно шоколад, какао, авокадо, морепродукты, печень, а также медьсодержащие препараты и БАД к пище.

При избыточном накоплении меди используют как диетотерапию, так и гепатопротекторы, желчегонные средства, БАД и препараты, содержащие цинк, бор, молибден. В случаях выраженной интоксикации применяют комплексообразователи, хелатообразующие препараты (D-пеницилламин, купренил , металкоптаза и др.).

Краткая характеристика ванадия и его роль в организме человека

Ванадий относится в рассеянным элементам, поэтому в природе он не существует в свободном виде, а в человеческом организме содержится в слишком малых дозах. Небольшие количества ванадия можно встретить в некоторых продуктах питания. А помимо этого он содержится во многих природных сферах - в воде, земной коре и других.

Ванадий относится к так называемым ультрамикроэлементам - то есть, элементам, которые содержатся в организме в минимальных количествах - не более 0,000001 процентов.

Начиная со второй половины девятнадцатого века между учеными возник спор, который продолжался около ста лет. Одни из них считали ванадий действительно полезным и важным элементом, а другие, наоборот, полагали, что он не только бесполезен, но и токсичен. В результате, в 1974 все пришли к общему мнению о том, что ванадий играет важную роль в организме человека, поскольку принимает активное участие во многих химических реакциях и обменных процессах, а значит, способствует поддержанию здоровья на должном уровне.

В человеческом организме содержится приблизительно 100 мкг ванадия - он, как правило, сосредоточен в мышечной и костной тканях. Менее значительные количества ванадия содержатся в щитовидной железе, легких, почках, селезенке, а также в сердечной мышце.

В результате многочисленных исследований, проводимых учеными, выяснилось, что минимальные дозы ванадия необходимы человеку для поддержания хорошего здоровья. При этом, лучше всего, когда он попадает в организм из обычных продуктов питания.

Одна из основных функций ванадия - это активизация деятельности клеток-фагоцитов, которые служат для очищения организма от всех вредных и посторонних веществ, а также для его защиты. Когда фагоциты активно работают, кровь, все клетки и ткани начинают быстрее очищаться, вследствие чего организм получает надежную защиту от инфекций. Благодаря своим отличным антиоксидантным свойствам ванадий способен препятствовать развитию атеросклероза, контролировать работу центральной нервной системы, а также регулировать уровень содержания сахара в крови. Ванадий помогает правильно распределять соли кальция, благодаря чему зубам и костям обеспечивается отличное состояние.

Данный элемент помогает снизить процент содержания холестерина в крови, в результате чего липидный объем полностью нормализуется. При этом сосуды сердца и головного мозга постепенно оздоровляются, а слишком высокое давление начинает снижаться.

Ванадий способствует улучшению углеводного обмена. В связи с этой особенностью многие ученые уверены, что в недавнем времени данное вещество будет активно применяться для лечения сахарного диабета - дело в том, что действие ванадия во многом напоминает действие инсулина. Этот элемент очень важен для поддержания нормального баланса калия и натрия. Помимо этого, он предотвращает возникновение опухолей, помогает снять отеки, а также улучшает функциональность мышц. Под воздействием ванадия клетки организма начинают правильно расти и развиваться, а, следовательно, это вещество можно назвать средством от рака.

Ванадий влияет на уровень гемоглобина, а также обеспечивает правильное формирование зубов и костей у детей. А активное участие ванадия в липидо-углеводном обмене способствует активной выработке энергии организмом. Ванадий идеально сочетается с цирконием - вместе этом два важных элемента оказывают благоприятное воздействие на функционирование легких, печени, селезенки, щитовидной и поджелудочной железы, а также мочеполовой системы и гипофиза.

В прошлом при лечении туберкулеза, анемии и сифилиса применялись некоторые фармацевтические препараты, в составе которых в малых долях присутствовали самые разные соединения ванадия. На сегодняшний день ванадиевые соли применяются в качестве инсектицидов, фунгицидов и дезинфицирующих средств.

Ванадий идеально совместим с белками и хромом, поскольку эти вещества помогают снизить его токсическое действие. А вот аскорбиновая кислота, а также соединения алюминия и железа - наоборот, повышают эту токсичность.

Ванадием богаты многие широко распространенные продукты питания - неочищенный рис, гречка, горох, картофель, редис, зеленый салат, укроп, петрушка, злаки, морковь, земляника, вишня, соя, грибы, мясо жирных сортов, печень, растительные масла и животные жиры, рыба, а также некоторые другие морские продукты. Небольшие дозы ванадия могут попадать в организм вместе с некоторыми лекарственными средствами или обычной водой. А в воде ванадий оказывается в результате переработки нефти, а также попадает туда из отходов железных и полиметаллических руд. Несмотря не то, что ванадий в течении довольно длительного времени остается в почве, в растениях он практически не содержится, поскольку в их тканях он накапливаться не способен.

Симптомы передозировки и дефицита ванадия

мышьяк медь ванадий передозировка

Дефицит ванадия встречается довольно редко, и может проявляться в виде особых форм шизофрении или нарушения обмена углеводов в организме.

В результате опытов, проводимых над животными, было замечено, что при лишении их данного вещества у них начинали нарушаться процессы размножения, роста мышечной и хрящевой ткани, а также стали появляться проблемы с костями и зубами.

Исследователи из США считают, что нехватка ванадия, цинка и хрома может привести к развитию такого серьезного заболевания, как сахарный диабет. Помимо этого, недостаток ванадия вызывает увеличение объема эритроцитов, содержащихся в крови, а также к снижению уровня холестерина.

Передозировка ванадия встречается гораздо чаще. Особую опасность для человеческого здоровья представляет собой ванадий, который попадает в организм с вредными парами мазута или бензина, а также в результате различных токсических выбросов. Последствиями в данном случае могут быть заболевания нервной системы, а также повышение кровяного давления. Если переизбыток ванадия связан с вредным производством или неблагоприятной экологической ситуацией, он может стать причиной отравлений и других тяжелых нарушений. Люди, работающие на таких производствах, часто страдают различными воспалительными процессами, которые поражают дыхательные пути, кожу и слизистые оболочки глаз. В наиболее серьезных случаях может возникнуть астма, анемия, а также тяжелые формы дерматита и экземы.

Для выведения чрезмерного количества ванадия из организма, доктора рекомендуют употреблять этилендиаминтетрауксусную кислоту, а также препараты, содержащие хром, которые обладают способностью нейтрализовать последствия отравления.

Взрослому человеку в сутки достаточно употреблять всего лишь около двух миллиграммов ванадия. При этом только один процент данного вещества всасывается, а все остальное количество выводится из организма.

Заключение

На современном этапе актуальность проблемы микроэлементов возросла в связи с нарастающим загрязнением среды такими химическими элементами, как свинец, фтор, мышьяк, кадмий, ртуть, марганец, молибден, цинк и др. Токсические вещества в процессе технологической переработки с газообразными, жидкими и твердыми промышленными отходами попадают в атмосферный воздух, воду и почву, что способствует формированию в городах и промышленных комплексах искусственных биогеохимических провинций. В связи с этим нарастает содержание многих химических элементов в воздухе, почве, природных водах, организме животных и растениях, используемых населением в качестве продуктов питания.

Таким образом роль каждого микроэлемента в организме человека очень важна. И необходимо соблюдать суточную потребность того или иного элемента.

Использованная литература

1. Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека. - М.: Медицина, 1991. - 496 с.

2. Чистяков Ю.В. Основы бионеорганической химии. - М.: Химия, КолосС, 2007. - 539с.: ил. - (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений)

Размещено на Allbest.ru