Роль микроэлементов в клетке: микро- и макроэлементы / Справочник :: Бингоскул

Содержание

Роль химических элементов в жизни человека

Понедельник,  1  Апрель  2019

Роль макро, микроэлементов для человеческого организма велика. Ведь они принимают активное участие во многих жизненно важных процессах. На фоне дефицита того или иного элемента человек может столкнуться с появлением определенных заболеваний. Дабы избежать этого, необходимо понимать, для чего нужны макро и микроэлементы в человеческом организме, и какое их количество должно содержаться.

Что такое макро и микроэлементы

Все полезные и необходимые для организма вещества попадают в него благодаря продуктам питания, биологическим добавкам, призванным устранить дефицит определенных веществ. Поэтому к своему рациону необходимо отнестись предельно внимательно.

Перед тем как приступить к изучению функций микро и макроэлементов необходимо понимать их определение.

Так, макроэлементами принято считать соединения химических элементов или одиночные элементы, которые содержатся в организме в большом количестве, измеряемом граммами.

А значение микроэлементов отличается от макро количественными показателями. Ведь в данном случае химические элементы содержатся преимущественно в достаточно малом количестве.

Для того чтобы организм функционировал и в его работе не происходили сбои необходимо позаботиться о регулярном достаточном поступлении в него необходимых макро и микроэлементов. Информацию относительного этого можно рассмотреть на примере таблиц. Первая таблица наглядно продемонстрирует, какая суточная норма употребления тех или иных элементов является оптимальной для человека, а также поможет определиться с выбором всевозможных источников.

Роль химических элементов

Роль микроэлементов в организме человека, как и макроэлементов очень велика.

Многие люди даже не задумываются о том, что они принимают участие во многих обменных процессах, способствуют формированию и регулируют работу таких систем, как кровеносной, нервной.

Именно от химических элементов, которые содержит первая и вторая таблица, происходят значимые для жизни человека обменные процессы, к их числу можно отнести водно-солевой и кислотно-щелочной обмен.

Это лишь небольшой перечень того, что получает человек.

Биологическая роль макроэлементов заключается в следующем:

·         Функции кальция заключаются в формировании костной ткани. Он принимает участие в формировании и росте зубов, отвечает за свертываемость крови. Если этот элемент не будет поступать в необходимом количестве, то привести такое изменение может к развитию рахита у детей, а также остеопороза, судорог.

·         Функции калия заключаются в том, что он обеспечивает водой клетки организма, а также принимает участие в кислотно-щелочном равновесии. Благодаря калию происходит синтез белка. Дефицит калия приводит к развитию многих заболеваний. К их числу можно отнести проблемы с желудком, в частности, гастрит, язва, сбой сердечного ритма, болезни почек, паралич.

·         Благодаря натрию удается держать на уровне осмотическое давление, кислотно-щелочной баланс. Ответственный натрий и за поставку нервного импульса. Недостаточное содержание натрия чревато развитием заболеваний.

К их числу можно отнести судороги мышц, болезни, связанные с давлением.

·         Функции магния среди всех макроэлементов наиболее обширные. Он принимает участие в процессе формирования костей, зубов, отделении желчи, работе кишечника, стабилизации нервной системы, от него зависит слаженная работа сердца. Этот элемент входит в состав жидкости, содержащейся в клетках тела. Учитывая важность этого элемента, его дефицит не останется незамеченным, ведь осложнения, вызванные этим фактом, могут сказаться на желудочно-кишечном тракте, процессах отделения желчи, появлении аритмии. Человек ощущает хроническую усталость и нередко впадает в состояние депрессии, что может сказаться на нарушении сна.

·         Основной задачей фосфора является преобразование энергии, а также активное участие в формировании костной ткани. Лишив организм этого элемента можно столкнуться с некоторыми проблемами, например, нарушениями в формировании и росте кости, развитием остеопороза, депрессивного состояния. Дабы избежать всего этого, необходимо регулярно пополнять запасы фосфора.

·         Благодаря железу происходят окислительные процессы, ведь он входит в цитохромы. Нехватка железа может сказаться на замедлении роста, истощении организма, а также спровоцировать развитие анемии.


Биологическая роль химических элементов заключается в участии каждого из них в естественных процессах организма. Недостаточное их поступление может привести к сбою в работе всего организма. Роль микроэлементов для каждого человека неоценима, поэтому необходимо придерживаться суточной нормы их потребления, которую содержит приведенная выше таблица.

Так, микроэлементы в организме человека отвечают за следующее:

·         Йод необходим для щитовидки. Недостаточное его поступление приведет к проблемам с развитием нервной системы, гипотиреоза.

·         Такой элемент, как кремний, обеспечивает формирование костной ткани и мышц, а также входит в состав крови. Нехватка кремния может привести к чрезмерной слабости кости, в результате чего увеличивается вероятность получения травм. От дефицита страдает кишечник, желудок.

·         Цинк приводит к скорейшему заживлению ран, восстановлению травмированных участков кожи, входит в состав большинства ферментов. О его нехватке свидетельствует изменения вкуса, восстановления поврежденного участка кожи на протяжении длительного времени.

·         Роль фтора заключается в принятии участия в процессах формирования зубной эмали, костной ткани. Его нехватка приводит к поражению зубной эмали кариесом, затруднениям, возникшим в процессе минерализации.

·         Селен обеспечивает стойкую иммунную систему, принимает участие в функционировании щитовидки. Говорить о том, что в организме селен присутствует в недостающем количестве можно в случае, когда прослеживаются проблемы с ростом, формированием костной ткани, развивается анемия.

·         С помощью меди становится возможным перемещение электронов, ферментный катализ. Если содержание меди недостаточное, то может развиться анемия.

·         Хром принимает активное участие в обмене углеводов в организме. Его нехватка сказывается на изменении уровня сахара в крови, что нередко становится причиной развития диабета.

·         Молибден способствует переносу электронов. Без него возрастает вероятность поражения зубной эмали кариесом, появления нарушений со стороны нервной системы.

·         Роль магния заключается в принятии активного участия в механизме ферментного катализа.

Микро, макроэлементы, поступающие в организм вместе с продуктами, биологически активными добавками жизненно необходимы для человека, и свидетельствуют об их важности проблемы, заболевания, возникающие в результате их дефицита. Для того чтобы восстановить их баланс необходимо правильно подбирать питание, отдав предпочтение тем продуктам, которые содержат необходимый элемент.

 

ОГБУЗ «Старооскольский кожвендиспансер»

желает Вам здоровья и долголетия!


Микроэлементы.

Общая информация

Химические элементы в свободном состоянии и в виде множества химических соединений входят в состав всех клеток и тканей человеческого организма. Они являются строительным материалом, важнейшими катализаторами различных биохимических реакций, непременными и незаменимыми участниками процессов роста и развития организма, обмена веществ, адаптации к меняющимся условиям окружающей среды.

Физиологическое действие различных элементов зависит от их дозы. Поэтому токсичные элементы (мышьяк, ртуть, сурьма, кадмий и др.) при низких концентрациях могут действовать на организм как лекарство (оказывая тем самым саногенетическое воздействие), тогда как натрий, калий, кальций, железо, магний и ряд других элементов в высоких концентрациях могут обладать выраженным токсическим эффектом.

Для осуществления жизненно важных функций у каждого элемента существует оптимальный диапазон концентраций. При дефиците или избыточном накоплении элементов в организме могут происходить серьезные изменения, обуславливающие нарушение активности прямо или косвенно зависящих от них ферментов.

В организме химические элементы находятся преимущественно в виде соединений, избыточное образование или распад которых может приводить к нарушению так называемого металло-лигандного гомеостаза, а в дальнейшем и к развитию патологических изменений. Элементы – металлы и лиганды (например, глутаминовая, аспарагиновая, липоевая, аскорбиновая кислоты) могут выступать в качестве активаторов или ингибиторов различных ферментов, что обусловливает их существенную роль в развитии и терапии различных заболеваний.

Для систематизации сведений о содержании и физиологической роли химических элементов в организме в последние десятилетия был предложен ряд классификаций. Не рассматривая их подробно, остановимся лишь на некоторых принципиальных моментах.

Один из принципов классификации – разделение химических элементов на группы, в зависимости от уровня их содержания в организме человека.

Первую группу такой классификации составляют «макроэлементы», концентрация которых в организме превышает 0,01%. К ним относятся O, C, H, N, Ca, P, K, Na, S, Cl, Mg. В абсолютных значениях (из расчета на среднюю массу тела человека в 70 кг), величины содержания этих элементов колеблются в пределах от сорока с лиш ним кг (кислород) до нескольких г (магний). Некоторые элементы этой группы называют «органогенами» (O, H, С, N, P, S) в связи с их ведущей ролью в формировании структуры тканей и органов.

Вторую группу составляют «микроэлементы» (концентрация от 0,00001% до 0,01%). В эту группу входят: Fe, Zn, F, Sr, Mo, Cu, Br, Si, Cs, I, Mn, Al, Pb, Cd, B, Rb. Эти элементы содержатся в организме в концентрациях от сотен мг до нескольких г. Однако, несмотря на малое содержание, микроэлементы не случайные ингредиенты биосубстратов живого организма, а компоненты сложной физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организма на всех этапах его развития.

В третью группу включены «ультрамикроэлементы», концентрация которых ниже 0,000001%. Это Se, Co, V, Cr, As, Ni, Li, Ba, Ti, Ag, Sn, Be, Ga, Ge, Hg, Sc, Zr, Bi, Sb, U, Th, Rh. Содержание этих элементов в теле человека измеряется в мг и мкг. На данный момент установлено важнейшее значение для организма многих элементов из этой группы, таких как, селен, кобальт, хром и др.

В основе другой классификации лежат представления о физиологической роли химических элементов в организме. Согласно такой классификации макроэлементы, составляющие основную массу клеток и тканей, являются “структурными” элементами. К "эссенциальным" (жизненно-необходимым) микроэлементам относят Fe, I, Cu, Zn, Co, Cr, Mo, Se, Mn, к “условно-эссенциальным” – As, B, Br, F, Li, Ni, Si, V. Жизненная необходимость или эссенциальность (от англ. essential – “необходимый”), является важнейшим для жизнедеятельности живых организмов свойством химических элементов. Химический элемент считается эссенциальным, если при его отсутствии или недостаточном поступлении в организм нарушается нормальная жизнедеятельность, прекращается развитие, становится невозможной репродукция. Восполнение недостающего количества такого элемента устраняет клинические проявления его дефицита и возвращает организму жизнеспособность.

К “токсичным” элементам отнесены Al, Cd, Pb, Hg, Be, Ba, Bi, Tl, к “потенциально-токсичным” – Ag, Au, In, Ge, Rb, Ti, Te, U, W, Sn, Zr и др. Результатом воздействия этих элементов на организм является развитие синдромов интоксикаций (токсикопатий).

Оценка элементного статуса человека является основным вопросом определения влияния на здоровье человека дефицита, избытка или нарушения тканевого перераспределения макро- и микроэлементов. Определение элементного состава биосред используется:

  • при мониторинге состояния здоровья, оценке уровня работоспособности и эффективности лечения;
  • при формировании групп риска по гипо- и гиперэлементозам;
  • при подборе рациональной диеты как здоровому, так и больному человеку;
  • в скрининг-диагностических исследованиях больших групп населения;
  • при картировании территорий по нозологическим и системным формам патологии у детей и других возрастных групп населения;
  • при оценке взаимозависимости многосторонних связей цепи “человек–среда обитания”;
  • при составлении карт экологического природного и техногенного неблагополучия регионов;
  • при изучении воздействия на организм вредных привычек;
  • экспертно-криминалистических исследованиях (идентификация личности в судебной медицине, метод выбора в подтверждение исследований по молекуле ДНК и генному коду).

Методы определения микроэлементов в биосубстратах Масс-спектрометрия с индуктивно связанной аргоновой плазмой (ИСП-МС), атомно-абсорбционная спектрофотометрия с электротермической атомизацией (ААС-ЭТА).

Условия взятия и хранения материала для исследования

Взятие и подготовка крови для получения плазмы и сыворотки проводится по общепринятым методикам. Если при заборе проб используют перчатки, то они должны быть не опудренные и не содержать латекса (напр., нитриловые). Кровь может быть получена из локтевой вены или из пальцев рук (капиллярная). Объем отобранной крови должен составлять не менее 1 мл. Образцы сыворотки или плазмы крови хранятся в обычном холодильнике до 3–5 сут (от 0 до 4 °С) либо замораживаются (до -18 °С), либо лиофилизуются, или высушиваются в сушильном шкафу (для длительного хранения). Для длительного хранения образцы помещаются в одноразовые полипропиленовые пробирки с герметичными крышками.

Взятие биологических образцов крови и мочи проводят в соответствии с МУК 4.1.1482-08, МУК 4.1.1483-08.

Значение макро- и микроэлементов в жизни растений

  1. Макроэлементы и их значение для растений
  2. Микроэлементы
  3. Питание для растений

В зеленых насаждениях обнаружены многие химические элементы. Макроэлементы содержатся в значительных концентрациях, микроэлементы – в тысячных долях процента.

Макроэлементы и их значение для растений

Макроэлементы представляют особую важность для роста и развития растений на всех стадиях жизненного цикла. К ним относят те, которые содержатся в культурах в значительных количествах - это азот, фосфор, калий, сера, магний и железо. При их дефиците представители флоры плохо развиваются, что сказывается на урожайности. Признаки нехватки многократно используемых макроэлементов проявляются прежде всего на старых листьях.

Азот

Главный ответственный за питание корней элемент. Он участвует в реакциях фотосинтеза, регулирует обмен веществ в клетках, а также способствует росту новых побегов. Этот элемент особенно необходим для растений на стадии вегетации. При нехватке азота рост насаждений замедляется или останавливается вовсе, цвет листьев и стеблей становится бледнее. Из-за переизбытка азота позднее развиваются соцветия и плоды. Насаждения, которых перекормили азотом имеют ботву темно-зеленого цвета, и излишне толстые стебли. Период вегетации удлиняется. Слишком сильное перенасыщение азотом приводит к гибели флоры в течение нескольких дней.

Фосфор

Участвует в большинстве протекающих в растениях процессах. Обеспечивает нормальное развитие и функционирование корневой системы, образование крупных соцветий, способствует вызреванию плодов.

Нехватка фосфора негативно сказывается на цветении и процессе созревания. Цветки получаются мелкими, плоды часто с дефектами. Литья могут окрашиваться в красновато-коричневый оттенок. Если же фосфор в избытке, замедляется обмен веществ в клетках, растения становятся чувствительными к нехватке воды, они хуже усваивают такие питательные элементы, как железо, цинк и калий. В результате листья желтеют, опадают, срок жизни растения сокращается.

Калий

Процент калия в растениях больше по сравнению с кальцием и магнием. Этот элемент задействован в синтезировании крахмала, жиров, белков и сахарозы. Он защищает от обезвоживания, укрепляет ткани, предупреждает преждевременное увядания цветков, повышает сопротивляемость культур к различного рода патогенам.

Растения, обедненные калием, можно узнать по отмершим краям листьев, коричневым пятнам и куполообразной их форме. Это происходит вследствие нарушения процессов производства, накопления в зеленых частях насаждений продуктов распада, аминокислот и глюкозы. Если калий в избытке, наблюдается замедление всасывания растением азота. Это приводит к остановке роста, деформациям листьев, хлорозу, а на запущенных стадиях к отмиранию листьев. Поступление магния и кальция также затрудняется.

Магний

Участвует в реакциях с образованием хлорофилла. Является одним из его составных элементов. Способствует синтезу фитинов, содержащихся в семенах и пектинов. Магний активизирует работу энзимов, при участии которых происходит образование углеводов, протеинов, жиров, органических кислот. Он участвует в транспорте питательных веществ, способствует более скорому вызреванию плодов, улучшению их качественных и количественных характеристик, повышению качества семян.

Если растения испытывают дефицит магния, их листья желтеют, так как молекулы хлорофилла разрушаются. Если недостаток магния своевременно не восполнить, растение начнет отмирать. Избыток магния у растений наблюдаются редко. Однако, если доза внесенных препаратов магния слишком большая, замедляется всасываемость кальция и калия.

Сера

Является составным элементов протеинов, витаминов, аминокислот цистина и метионина. Участвует в процессах образования хлорофилла. Растения, которые испытывают серное голодание, нередко заболевают хлорозом. Болезнь поражает главным образом молодые листья. Избыток серы приводит к пожелтению краев листьев, их подворачиванию вовнутрь. Впоследствии края обретают коричневый оттенок и отмирают. В некоторых случаях возможно окрашивание листьев в сиреневый оттенок.

Железо

Является составным компонентом хлоропластов, участвует в производстве хлорофилла, обмене азота и серы, клеточном дыхании. Железо – необходимый компонент многих растительных ферментов. Этот тяжелый металл играет наиболее важную роль. Его содержание в растении достигает сотых долей процента. Неорганические соединения железа ускоряют биохимические реакции.

При дефиците этого элемента растения нередко заболевают хлорозом. Нарушаются дыхательные функции, ослабляются реакции фотосинтеза. Верхушечные листья постепенно бледнеют и усыхают.

Микроэлементы

Основными микроэлементами являются: железо, марганец, бор, натрий, цинк, медь, молибден, хлор, никель, кремний. Их роль в жизни растений нельзя недооценивать. Недостаток микроэлементов хоть и не приводит к гибели растений, но сказывается на скорости протекания различных процессов. Это влияет на качество бутонов, плодов и урожаях в целом.

Кальций

Регулирует усвоение белков и углеводов, влияет на продуцирование хлоропластов и усвоению азота. Он играет важную роль в построении сильных клеточных оболочек. Наибольшее содержание кальция наблюдается в зрелых частях растений. Старые листья состоят из кальция на 1 %. Кальций активирует работу многих энзимов, в том числе амилазы, фосфорилазы, дегидрогеназы и др. Он регулирует работу сигнальных систем растений, отвечая за нормальные реакции на воздействия гормонами и внешними раздражителями.

При нехватке этого химического элемента происходит ослизнение клеток растений. Особенно это проявляется на корнях. Нехватка кальцием приводит к нарушению транспортной функции мембран клеток, повреждению хромосом, нарушению цикла деления клеток. Перенасыщение кальцием провоцирует хлороз. На листьях появляются бледные пятна с признаками некроза. В некоторых случаях можно наблюдать круги, заполненные водой. Отдельные растения реагируют на переизбыток данного элемента ускоренным ростом, но появившиеся побеги быстро отмирают. Признаки отравления кальцием схожи с переизбытком железа и магния.

Марганец

Активизирует работу ферментов, участвует в синтезировании протеинов, углеводов, витаминов. Марганец также принимает участие в фотосинтезе, дыхании, углеводно-белковом обмене. Недостаток марганца приводит к высветлению окраски листьев, появлению отмерших участков. Растения заболеванию хлорозом, у них отмечается недоразвитие корневой системы. В серьезных случаях начинают засыхать и опадать листья, отмирать верхушки веток.

Цинк

Регулирует окислительно-восстановительные процессы. Является компонентом некоторых важных ферментов. Цинк повышает выработку сахарозы и крахмала, содержание в плодах углеводов и белков. Он участвует в реакции фотосинтеза и способствует выработке витаминов. При нехватке цинка растения хуже противостоят холоду и засухе, уменьшается содержание в них белка. Цинковое голодание также приводит к изменению окраски листьев (они желтеют или обретают белесый цвет), уменьшению образования почек, падению урожайности.

Молибден

На сегодняшний день именно этот микроэлемент называют одним из важнейших. Молибден регулирует азотный обмен, нейтрализует нитраты. Он также влияет на углеводородный и фосфорный обмен, производство витаминов и хлорофилла, а также на скорость протекания окислительно-восстановительных процессов. Молибден способствует обогащению растений витамином С, углеводами, каротином, белками.

Недостаточные концентрации молибдена негативно сказываются на обменных процессах, затормаживается редуцирование нитратов, образование белков и аминокислот. В связи с этим урожаи снижаются, их качество ухудшается.

Медь

Является элементом медьсодержащих белков, энзимов, участвует в фотосинтезе, регулирует транспорт белков. Медь повышает содержание азота и фосфора в два раза, а также защищает хлорофилл от разрушения.

Дефицит меди приводит к скручиванию кончиков листьев и хлорозу. Снижается количество пыльцевых зерен, падает урожайность, у деревьев “повисает” крона.

Бор

Регулирует обмен протеинов и углеводов. Является важнейшим компонентом синтеза РНК и ДНК. Бор в союзе с марганцем являются катализаторами реакции фотосинтеза в растениях, которые испытали на себе заморозки. Бор требуется насаждениям на всех стадиях жизненного цикла.

От дефицита бора страдают больше всего молодые листья. Нехватка этого микроэлемента приводит к замедленному развитию пыльцы, внутреннему некрозу стеблей.

Избыток бора тоже нежелателен, так как приводит к ожогам нижних листьев.

Никель

Представляет собой составной компонент уреазы, с его участием протекают реакции разложения мочевины. В насаждениях, которые обеспечены никелем в достаточном количестве, содержание мочевины ниже. Также никель активирует некоторые ферменты, участвует в транспорте азота, стабилизирует структуру рибосом. При недостаточном поступлении никеля замедляется рост растений, снижается объем биомассы. А при перенасыщении никелем угнетаются реакции фотосинтеза, появляются признаки хлороза.

Хлор

Является основным элементов водно-солевого обмена растений. Участвует в поглощении кислорода корневой системой, реакциях фотосинтеза, энергетическом обмене. Хлор уменьшает последствия заболевания грибком, борется с излишним поглощением нитратов.

При недостатке хлора корни вырастают короткими, но при этом густо разветвленными, а листья увядают. Капуста, испытавшая дефицит хлора, получается неароматной.

При этом и переизбыток хлора вреден. При нем листья становятся мельче и твердеют, на некоторых появляются пурпурные пятна. Стебель также грубеет. Чаще всего дефицит Cl проявляется наряду с недостатком N. Исправить ситуацию позволяет аммиачная селитра и каинит.

Кремний

Является своеобразным кирпичиком стенок клеток, а потому повышает выносливость насаждений перед заболеваниями, заморозками, загрязнениями, нехваткой воды. Микроэлемент влияет на обменные процессы с участие фосфора и азота, помогает снижать токсичность тяжелых металлов. Кремний стимулирует развитие корней, влияет на рост и развитие растений, способствует урожайности, повышает содержание сахара и витаминов в плодах. Визуально дефицит кремния не обнаружить, но его недостаток негативно скажется на сопротивляемости культур негативным факторам, развитости корневой системы, развитии цветов и плодов.

Питание для растений

Микро- и макроэлементы оказывают влияние друг на друга, в результате их биодоступность для флоры меняется. Переизбыток фосфора приводит к нехватке цинка и образованию фосфатов меди и железа – то есть недоступности этих металлов для растений. Переизбыток серы уменьшает усвояемость молибдена. Излишек марганца приводит к хлорозу, вызванного недостатком железа. Высокие концентрации меди приводят к нехватке железа. При дефиците B нарушается всасываемость кальция. И это только часть примеров!

Вот почему так важно для восполнения дефицита макро- и микроэлементов, использовать сбалансированные комплексы удобрений. Для различных сред существуют свои составы. Нельзя применять удобрение для почвы в гидропонике, ведь изначальные условия будут неодинаковы.

Почва – своеобразный буфер. В ней питательные вещества могут находиться до тех пор, пока не понадобятся растению. Почва сама регулирует уровень pH, тогда как в гидропонных системах показатели полностью зависят от человека и тех препаратов, которыми он насыщает питательный раствор.

При традиционном выращивании нельзя точно знать, сколько тех или иных микроэлементов содержится в земле, тогда как в гидропонике показатели pH и ЕС питательного раствора можно определить без труда – с помощью рН-метра и ЕС-метра. Выращивание в гидропонике более эффективно. Вместе с тем любой сбой здесь имеет более серьезные последствия для насаждений. Вот почему нужно выбирать удобрения внимательно.

Оптимальный комплекс макро- и микроэлементов, необходимых для питания растения, выращиваемого в земле, содержит комплект удобрений Bio-Grow + Bio-Bloom. Препарат ускоряет рост цветов и культур, увеличивает урожайность.

Для растений, выращиваемых методом гидропоники рекомендуем выбрать комплект удобрений Flora Duo Grow HW + Flora Duo Bloom производства Франция. Он имеет сбалансированный состав, который закрывает все потребности растений на протяжении всего жизненного цикла. Flora Duo Grow способствует ускоренному росту листьев и формированию сильных стеблей. Flora Duo Bloom содержит фосфор, который готовит насаждения к цветению и плодоношению.

«Роль микроэлемента марганца (Mn) в организме человека» - Официальный сайт МО Красноуфимский округ

Микроэлементы – важнейшие вещества, от которых зависит жизнедеятельность организмов. Они не являются источником энергии, однако отвечают за жизненно важные химические реакции. Среди всех микроэлементов в особую группу выделяют так называемые незаменимые микроэлементы, регулярное поступление которых с пищей или водой в организм абсолютно необходимо для его нормальной жизнедеятельности.

Одним из таких незаменимых микроэлементов является марганец (Мn).

Марганец активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. Важной также считается его способность усиливать действие инсулина и поддерживать определенный уровень холестерина в крови. В присутствии марганца организм полнее использует жиры, повышается усвояемость меди. Так же микроэлемент регулирует процессы кроветворения, усиливает синтез гормонов щитовидной железы — тироксина и трийодтиронина, участвует в синтезе интерферона и укрепляет иммунитет и поддерживает нормальную свёртываемость крови.

За контроль и поддержание многих жизненных функций марганец еще называют микроэлементом-менеджером.

Переизбыток марганца может привести к серьёзным последствиям, после которых даже молодой организм очень тяжело восстанавливается: ухудшению всасывания железа и возникновению развития анемии, ухудшению состояния нервной системы, нарушению всасывания кальция.

Вода с повышенным содержанием марганца обладает металлическим привкусом. Его присутствие приводит к значительно более быстрому износу бытовой техники и систем отопления, поскольку он способен накапливаться в виде черного налета на внутренних поверхностях труб с последующим отслаиванием и образованием взвешенного в воде осадка черного цвета.

Дефицит марганца приводит к различным формам анемии, нарушениям функций воспроизводства у обоих полов, задержке роста детей, проявлениям дефицита массы тела и др. В настоящее время дефицит данного минерала является довольно распространённым явлением, что связано с неправильным и несбалансированным питанием, а также загрязнённостью окружающей среды. Богатые марганцем продукты: крупы (в первую очередь овсяная и гречневая), фасоль, горох, орехи, клюква, говяжья печень и многие хлебобулочные изделия, которыми практически восполняется суточная потребность человека в марганце – 5,0-10,0 мг.

Главный врач Красноуфимского филиала

ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии

в Свердловской области»  А. В. Поздеев

Оставить комментарий

Вы должны войти, чтобы оставлять комментарии.

Из чего состоит кровь?

Кровь состоит на 60 % из плазмы. Это желтовато-белая жидкость, которая в свою очередь состоит в основном из воды, а также различных белков, солей, микроэлементов и витамин‎ов. Около 40 % кровь состоит из клеток [клетка‎], которые называют кровяными тельцами или кровяными клетками. Существует три вида клеток крови, которые находятся в ней в разном количестве и выполняют разные задачи:

  • красные кровяные тельца (эритроциты)
  • белые кровяные тельца (лейкоциты)
  • кровяные пластинки (тромбоциты)

Эритроциты (красные кровяные тельца)


Больше всего в крови человека находится эритроцит‎ов, которые также называют красными кровяными тельцами или красными клетками крови. Они составляют 99 % из всех клеток крови. В одном микролитре крови (то есть в одной милионной части литра) находится от 4 до 6 миллионов эритроцитов.

Самая важная задача эритроцитов – переносить по кровеносным сосудам жизненно необходимый кислород (который поступает в лёгкие) к органам и тканям тела. Эту задачу они выполняют с помощью красного пигмента крови – гемоглобина.

Если количества эритроцитов в крови не достаточно, или если в эритроцитах мало гемоглобина и поэтому они не могут полностью выполнять свою работу, то речь идёт об анемии, или о малокровии. У „малокровных“ людей часто очень бледная кожа. Так как их организм не получает достаточное количество кислорода, то у них также появляются такие симптомы как утомляемость, слабость, одышка, снижение работоспособности, головная боль или боли в спине.

Главным в оценке работы эритроцитов является в первую очередь не их количество в крови, а их объём, так называемый гематокрит‎ (сокращение в анализах Ht), и уровень гемоглобина (сокращение в анализах Hb). Для детей страше грудного возраста нормальным считается уровень гемоглобина в пределах от 10 до 16 г/дл, норма гематокрита – в пределах между 30 и 49 % (детали см. в таблице) [KUL2002‎].

Если эти показатели значительно ниже нормы и одновременно у ребёнка появляются симптомы анемии [анемия‎], например, из-за лейкоза, или после химиотерапии [химиотерапия‎], то может потребоваться переливание (трансфузия) эритроцитарного концентрата (эритроцитарной массы, сокращённо „эрмасса“), чтобы стабилизировать состояние ребёнка.

Возраст ребёнка

Гемоглобин(Hb) уровень в г/дл

Гематокрит (Hk) показатель в %

1 год

10.1 - 13.0

30 - 38

2 – 6 лет

11.0 - 13.8

32 - 40

6 – 12 лет

11.1 - 14.7

32 - 43

12 – 18 лет женщины

12.1 - 15.1

35 - 44

12 – 18 лет мужчины

12.1 - 16.6

35 - 49

Лейкоциты (белые клетки крови)


Белые кровяные тельца или белые клетки крови, которые также называют лейкоцит‎ами, составляют вместе с тромбоцитами у здоровых людей лишь 1 % всех клеток крови. Нормальным считается уровень от 5.000 до 8.000 лейкоцитов в микролитре крови.

Лейкоциты отвечают за имунную защиту организма. Они распознают „чужаков“, например, бактерии‎, вирус‎ы или грибы, и обезвреживают их. Если есть инфекция‎, количество лейкоцитов может сильно вырасти за короткое время. Благодаря этому организм быстро начинает бороться с возбудителями болезни.

Лейкоциты делят на разные группы в зависимости от их внешнего вида, от места, в котором они выросли, и от того, как именно они работают. Самую большую группу (от 60 до 70 %) составляют так называемые гранулоцит‎ы; от 20 до 30 % - лимфоцит‎ы и от 2 до 6 % - моноцит‎ы („клетки-пожиратели“).

Эти три вида клеток по-разному борются с возбудителями болезней, одновременно дополняя работу друг друга. Только благодаря тому, что они работают согласованно, организм обеспечивается оптимальной защитой от инфекций. Если количество белых клеток крови снижается, или они не могут работать нормально, например, при лейкозе, то защита организма от „чужаков“ (бактерий, вирусов, грибов) больше не может быть эффективной. Тогда организм начинает подхватывать разные инфекции.

Общее количество лейкоцитов измеряется в анализе крови [анализ крови‎]. Характеристики различных типов белых кровяных клеток и их процентуальное соотношение могут исследоваться в так называемом дифференциальном анализе крови (лейкоцитарная формула‎).

Гранулоциты


Гранулоциты отвечают прежде всего за защиту организма от бактерий [бактерии‎]. Также они защищают от вирус‎ов, грибов и паразитов (например, глистов). А называются они так потому, что в их клеточой жидкости есть зёрнышки (гранулы). В том месте, где появляется инфекция‎, они моментально накапливаются в большом количестве и становятся „первым эшелоном“, который отражает атаку возбудителей болезни.

Гранулоциты являются так называемыми фагоцитами. Они захватывают проникшего в организм противника и перевариваюи его (фагоцитоз). Таким же образом они очищают организм от мёртвых клеток. Кроме того, гранулоциты отвечают за работу с аллергическими и воспалительными реакциями, и с образованием гноя.

Уровень гранулоцитов в крови имеет в лечении онкологических болезней очень важное значение. Если во время лечения их количество становится меньше, чем 500 - 1.000 в 1 микролитре крови, то, как правило, очень сильно возрастает опасность инфекционных заражений даже от таких возбудителей, которые обычно вообще не опасны для здорового человека.

Лимфоциты


Лимфоциты – это белые клетки крови, 70 % которых находится в тканях лимфатической системы. К таким тканям относятся, например, лимфатические узлы‎, селезёнка, глоточные миндалины (гланды) и вилочковая железа‎.

Группы лимфоузлов находятся под челюстями, в подмышечных впадинах, на затылке, в области паха и в нижней части живота. Селезёнка – это орган, который находится слева в верхней части живота под рёбрами; вилочковая железа – небольшой орган за грудиной. Кроме того, лимфоциты находятся в лимфе. Лимфа – это бесцветная водянистая жидкость в лимфатических сосудах. Она, как и кровь, охватывает своей разветвлённой весь организм

Лимфоциты играют главную защитную роль в иммунной системе, так как они способны целенаправленно распознавать и уничтожать возбудителей болезней. Например, они играют важную роль при вирус‎ной инфекции. Лимфоциты „организовывают“ работу гранулоцит‎ов, производя в организме так называемые антитела‎. Атитела – это маленькие белковые молекулы, которые прицепляются к возбудителям болезни и таким образом помечают их как „врагов“ для фагоцитов.

Лимфоциты распознают и уничтожают клетки организма, поражённые вирусом, а также раковые клетки, и запоминают тех возбудителей болезни, с которыми они уже контактировали. Специалисты различают Т-лимфоцит‎ы и В-лимфоцит‎ы, которые отличаются по своим иммунологическим характеристикам, а также выделяют некоторые другие, более редкие подгруппы лимфоцитов.

Моноциты


Моноциты – это клетки крови, которые уходят в ткани и там начинают работать как „крупные фагоциты“ (макрофаги), поглощая возбудителей болезней, инородные тела и умершие клетки, и зачищая от них организм. Кроме того часть поглощённых и переваренных организмов они презентируют на своей поверхности и таким образом активируют лимфоциты на иммунную защиту.

Тромбоциты (кровяные пластинки)


Кровяные пластинки, которые также называют тромбоцит‎ы, отвечают главным образом за остановку кровотечений. Если происходит повреждение стенок кровеносных сосудов, то они в самое кратчайшее время закупоривают повреждённое место и таким образом кровотечение останавливается.

Слишком низкий уровень тромбоцитов (встречается, например, у больных лейкоз‎ом) проявляется в носовых кровотечениях или кровоточивости дёсен, а также в мелких кровоизлияниях на коже. Даже после самого незначительного ушиба могут появляться синяки, а также кровоизлияния во внутренних органах.

Количество тромбоцитов в крови также может падать из-за химиотерапии. Благодаря переливанию (трансфузия‎) кровяных пластинок (тромбоконцентрата), как правило, удаётся поддерживать приемлемый уровень тромбоцитов.

Каково значение микроэлементов для жизнедеятельности клеток

Сайт обслуживается в REG.RU

Работа сайта временно приостановлена

Хостинг сайта временно приостановлен

Если вы владелец данного ресурса, то для возобновления работы сайта вам необходимо продлить действие услуги хостинга.

В случае, если приостановка работы сайта вызвана нарушением условий Договора на абонентское обслуживание, то для возобновления работы вам необходимо обратиться в Службу поддержки. Мы будем рады вам помочь!

Если вы уверены, что это недоразумение или ошибка, напишите в Службу поддержки
В письме не забудьте указать ссылку на страницу.

В клетках живых организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Все эти элементы встречаются и в неживой природе, что указывает на единство живой и неживой природы.

Содержание химических элементов существенно отличается в клетках живых организмов и в Земной коре. Имеються различия в составе и биологической роли химических элементов в клетках растений и животных.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
МАКРОЭЛЕМЕНТЫ › 99% О, С, Н, N, P, K, Cl, Ca, Mg, Na, Fe
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ ≈0,01% I, Co, Mn, Cu идр.
УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ От 10 -4 до 10 -6 % Pb, Br,Ag и др.

В зависимости от содержания химических элементов в клетке их разделяют на группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Отдельную групу среди макроелементов составляют органогенные элементы (O, C, H, N), которие образуют молекулы всех органических веществ.

Макроэлементы, их роль в клетке. Органогенные элементы – кислород, углерод, водород и азот составляют ≈ 98% химического содержания клетки. Они легко образуют ковалентные связи за счет обобщения двух электронов (по одному от каждого атома) и благодаря этому формируют большое разнообразие органических веществ в клетке.

Жизненно важными являются и другие макроэлементы в клетках животных и человека (калий, натрий, магний, кальций, хлор, железо), на долю которых приходится около 1,9% .

Так, ионы Калия и Натрия регулируют осмотическое давление в клетке, обуславливают нормальный ритм сердечной деятельности, возникновение и проведение нервного импульса. Ионы Кальция принимают участие в свертывание крови, сокращении мышечных волокон. Нерастворимые соли Кальция принимают участие в формировании костей и зубов.

Ионы магния играют важную роль в функционировании рибосом и митохондрий. Железо входит в состав гемоглобина.

Микроэлементы, их роль в клетке. Биологическая роль микро- и ультрамикроэлементов определяется не их процентным содержанием, а тем, что они входят в состав ферментов, витаминов и гормонов. Например, Кобальт входит в состав витамина В12, Йод – в состав гормона тироксина, Медь – в состав ферментов, катализирующих окислительно-востановительные процессы.

Ультрамикроэлементы, их роль в клетке. Их концентрация не привышает 0,000001 %. Это такие элементы: золото, серебро, свинец, уран, селен, цезий, берилий, радий, и др. Физиологическая роль многих химических элементов еще не установлена, но они необходимы для нормального функционирования организма. Например, дефицит ультрамикроэлемента Селена приводит к развитию раковых заболеваний.

Обобщенные сведения о биологическом значении основных химических элементов, содержащихся в клетках живых организмов, представлены в таблице 4.1.

При недостаче важного химического элемента в почве определенного региона, что обусловливает дефицит его в организме местных жителей, возникают так называемые эндемические болезни.

Все химические элементы содержатся в клетке в виде ионов или входят в состав химических веществ.

Табл. 4.1.Основные химические элементы клетки и их значение для жизнидеятольности организмов

Элемент Символ Содержание Значение для клетки и организма
Углерод o 15—18 Главный структурный компонент всех органических соединений клетки
Кислород N 65—75 1,5—3,0 Главный структурный компонент всех органических соединений клетки
Азот H 8—10 Обязательный компонент аминокислот
Водород K 0.0001 Главный структурный компонент всех органических соединений клетки
Фосфор S 0,15—0,4 Входит в состав костной ткани и зубной эмали, нуклеиновых кислот, АТФ и некоторых ферментов
Калий Cl 0,15—0,20 Содержится в клетке только в виде ионов, активирует ферменты белкового синтеза, обуславливает ритм сердечной деятельности, участвует в процессах фотосинтеза
Сера Ca 0,05—0,10 Входит в состав некоторых аминокислот, ферментов, витамина В
Хлор Mg 0,04—2,00 Важнейший отрицательный ион в организме животных, компонент НС1 в желудочном соке
Кальций Na 0,02—0,03 Входит в состав клеточной стенки растений, костей и зубов, активирует свертывание крови и сокращение мышечных волокон
Магний Fe 0,02-0,03 Входит в состав молекул хлорофилла, а также костей и зубов, активирует энергетический обмен и синтез ДНК
Натрий I 0,010—0,015 Содержится в клетке только в виде ионов, обуславливаетнормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов
Железо Cu 0,0001 Входит в состав многих ферментов, гемоглобина и миоглобина, участвует в биосинтезе хлорофилла, в процессах дыхания и фотосинтеза
Йод Mn 0,0002 Входит в состав гормонов щитовидной железы
Медь Mo 0.0001 Входит в состав некоторых ферментов, участвует в процессах кровообразования, фотосинтеза, синтеза гемоглобина
Марганец Co 0,0001 Входит в состав некоторых ферментов или повышает их активность, принимает участие в развитии костей, ассимиляции азота и процессе фотосинтеза
Молибден Zn 0.0001 Входит в состав некоторых ферментов, участвует н процессах связывания атмосферного азота растениями
Кобальт o 0,0003 Входит в состав витамина В12, участвует в фиксации ат- мосферного азота растениями, развитии эритроцитов
Цинк N 15—18 Входит в состав некоторых ферментов, участвует в синтезе растительных гормонов (фуксина) и спиртовом брожении

Химические вещества клетки

ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ
МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ 1-1,5%
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ 1-1,5 %

Последнее изменение этой страницы: 2016-12-27; Нарушение авторского права страницы

Для обеспечения оптимальной деятельности организма в нем присутствуют различные минералы. Они разделены на две категории. Макроэлементы присутствуют в объеме большем – 0,01%, а микроэлементов содержится меньше 0,001%. Однако вторые, несмотря на такую концентрацию, имеют особую ценность. Далее разберемся, какие присутствуют микроэлементы в организме человека, что это такое и для чего они нужны.

Общие сведения

Роль микроэлементов в организме человека достаточно велика. Эти соединения обеспечивают нормальное течение почти всех биохимических процессов. Если содержание микроэлементов в организме человека находится в пределах нормы, то все системы будут функционировать стабильно. Согласно статистике, около двух миллиардов людей на планете страдают от дефицита этих соединений. Недостаток микроэлементов в организме человека приводит к умственной отсталости, слепоте. Многие младенцы при дефиците минералов погибают, едва появившись на свет.

Значение микроэлементов в организме человека

Соединения прежде всего отвечают за формирование и развитие ЦНС. Роль микроэлементов в организме человека распределяется и на уменьшение числа наиболее распространенных внутриутробных нарушений при образовании сердечно-сосудистой системы. Каждое соединение оказывает влияние на определенную область. Немаловажным является значение микроэлементов в организме человека при формировании защитных сил. Например, у людей, которые получают минералы в необходимом количестве, многие патологии (кишечные инфекции, корь, грипп и прочие) протекают гораздо легче.

Основные источники минералов

Макро- и микроэлементы, витамины присутствуют в продуктах животного и растительного происхождения. В современных условиях соединения можно синтезировать в лабораторных условиях. Однако проникновение минералов с растительной либо животной пищей приносит гораздо больше пользы, чем применение соединений, полученных в процессе синтеза. Основные микроэлементы в организме человека – это бром, бор, ванадий, йод, железо, марганец, медь. В обеспечении жизнедеятельности участвуют кобальт, никель, молибден, селен, хром, фтор, цинк. Далее рассмотрим подробнее, как действуют эти микроэлементы в организме человека и их значение для здоровья.

Данный элемент присутствует практически во всех тканях и органах человека. Больше всего бора обнаруживается в костях скелета, зубной эмали. Элемент оказывает благоприятное влияние на весь организм, в целом. За счет него работа эндокринных желез становится более стабильной, формирование скелета – более правильным. Кроме того, повышается концентрация половых гормонов, что имеет особое значение для женщин в период климакса. Бор присутствует в сое, гречке, кукурузе, рисе, свекле, бобовых. При недостатке данного элемента отмечаются гормональные сбои. У женщин это чревато развитием таких патологий, как остеопороз, миома, рак, эрозии. Высок риск появления мочекаменной болезни и нарушений в работе суставов.

Этот элемент оказывает влияние на правильную активность щитовидной железы, участвует в функционировании ЦНС, усиливает процессы торможения. К примеру, у человека, принимающего препарат, содержащий бром, снижается половое влечение. Этот элемент присутствует в таких продуктах, как орехи, бобовые, зерновые. При дефиците брома в организме нарушается сон, снижается уровень гемоглобина.

Ванадий

Этот элемент принимает участие в регулировании деятельности сосудов и сердца. Ванадий способствует стабилизации концентрации холестерина. Это, в свою очередь, снижает вероятность возникновения атеросклероза, а также уменьшаются опухоли и отечность. Элемент нормализует работу печени и почек, способствует улучшению зрения. Ванадий участвует в регулировании в крови глюкозы и гемоглобина. Элемент присутствует в злаковых, редисе, рисе, картофеле. При дефиците ванадия повышается концентрация холестерина. Это чревато развитием атеросклероза и сахарного диабета.

Железо

Этот микроэлемент является одним из компонентов гемоглобина. Железо отвечает за формирование кровяных телец и участвует в клеточном дыхании. Этот элемент присутствует в горчице, тыквенных семечках, гранате, кунжуте, яблоках, лесных орехах, морской капусте. Состояние клеток кожи, ротовой полости, кишечника и желудка напрямую зависит от концентрации железа. При недостатке этого элемента отмечается постоянная сонливость, быстрая утомляемость, ухудшение состояния ногтевых пластин. Кожа при этом становится сухой, грубеет, во рту часто пересыхает, развивается анемия. В некоторых случаях могут изменяться вкусовые ощущения.

Этот микроэлемент принимает участие в выработке тироксина – гормона щитовидной железы. В ней присутствует большая часть (порядка 15 из 25 мг) йода. Если этого элемента будет в организме достаточно, то работа простаты, яичников, печени, почек будет проходить без нарушений. Йод присутствует в пшенице, молочных продуктах, шампиньонах, водорослях, ржи, фасоли, шпинате. При дефиците элемента отмечается увеличение щитовидки (зоб), мышечная слабость, замедление в развитии умственных способностей, дистрофические изменения.

Кобальт

Этот элемент является составной частью процесса образования кровяных клеток. Кобальт принимает участие в формировании витамина В12 и производстве инсулина. Элемент присутствует в бобовых, сое, груше, соли, манной крупе. При дефиците кобальта может начаться анемия, человек быстрее утомляется и все время хочет спать.

Марганец

Данный элемент отвечает за состояние костей, репродуктивной функции, участвует в регулировании деятельности ЦНС. Благодаря марганцу повышается потенция, под его воздействием активнее проявляются рефлексы мускулатуры. Элемент способствует снижению нервного напряжения и раздражения. Марганец присутствует в имбире, орехах. При дефиците элемента нарушается процесс окостенения скелета, начинают деформироваться суставы.

В большом количестве этот элемент обнаруживается в печени. Медь является компонентом меланина, принимает участие в выработке коллагена и пигментации. С помощью меди процесс усвоения железа проходит гораздо лучше. Элемент присутствует в подсолнухе, морской капусте, кунжуте, какао. При дефиците меди наблюдается анемия, снижение веса, облысение. Также уменьшается уровень гемоглобина, начинают развиваться дерматозы разной природы.

Молибден

Этот элемент является основой фермента, участвующего в утилизации железа. Данный процесс предотвращает развитие анемии. Молибден присутствует в соли, зерновых, бобовых. Последствия дефицита элемента в организме на сегодня изучены недостаточно.

Никель

Этот микроэлемент участвует в формировании кровяных клеток и насыщении их кислородом. Никель также регулирует жировой обмен, гормональный уровень, понижает артериальное давление. Элемент присутствует в кукурузе, груше, сое, яблоках, чечевице и прочих бобовых.

Селен

Этот элемент – антиоксидант. Он препятствует росту аномальных клеток, тем самым предупреждая возникновение и распространение рака. Селен обеспечивает защиту организма от негативного действия тяжелых металлов. Он необходим для выработки белков, нормальной и стабильной работы щитовидки и поджелудочной железы. Селен присутствует в составе семенной жидкости, а также поддерживает детородную функцию. Микроэлемент содержится в пшенице и ее зародышах, семечках подсолнуха. При его дефиците повышается риск развития аллергий, дисбактериоза, рассеянного склероза, мышечной дистрофии, инфаркта.

Этот элемент участвует в формировании зубной эмали и ткани. Элемент присутствует в просе, орехах, тыкве, изюме. При дефиците фтора наблюдается постоянный кариес.

Данный микроэлемент оказывает влияние на ускоренное формирование инсулина. Хром также улучшает углеводный обмен. Микроэлемент присутствует в свекле, редисе, персике, сое, грибах. В случае дефицита хрома отмечается ухудшение состояния волос, ногтей, костей.

Этот микроэлемент регулирует множество важных процессов в организме. К примеру, он участвует в метаболизме, работе репродуктивной системы, формировании клеток крови. Цинк присутствует в зародышах пшеницы, кунжуте. При его дефиците появляются белые пятна на ногтях, человек быстро утомляется, становится подвержен аллергиям и инфекционным патологиям.

Совместимость с витаминами

В процессе усвоения микроэлементов происходит их взаимодействие с разными соединениями, в том числе, поступающими извне. В этом случае имеют место различные комбинации. Одни из них обладают благотворным воздействием на состояние здоровья, другие – способствуют взаимному разрушению, а третьи отличаются нейтральным влиянием друг на друга. В таблице, представленной ниже, можно увидеть совместимые витамины и микроэлементы в организме человека.

Химические элементы в клетках живых организмов

Из всех элементов периодической системы Д. И. Менделеева в организме человека обнаружено 86 элементов.

По содержанию элементы, входящие в состав клетки, делят на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Макроэлементы составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99% всей массы клетки (в расчёте на сухую массу), причём наиболее высоко содержание четырёх элементов – кислорода O, углерода C, водорода H и азота N (98%). Кроме названных элементов к макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это сера S, фосфор P, хлор Cl, калий K, натрий Na, магний Mg, кальций Ca и железо Fe. Суммарное их содержание 1,9%.

Таким образом, на долю остальных химических элементов приходится 0,1%. Это микроэлементы. К ним относятся преимущественно атомы металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В числе таких элементов цинк Zn, медь Cu, иод I, фтор F, марганец Mn, селен Se, кобальт Co, молибден Mo, стронций Sr, никель Ni, хром Cr, ванадий V и др.

Кроме макро- и микроэлементов в клетках живых организмов встречаются элементы, содержание которых не превышает 0,000001%. Их называют ультрамикроэлементами. К ним относят уран U, радий Ra, золото Au, ртуть Hg, бериллий Be, цезий Cs и другие редкие элементы. Физиологическая роль большинства этих элементов в организмах растений, животных, грибов и бактерий пока не установлена.

Задания:

1. Сколько химических элементов обнаружено в организме человека?

2. На какие группы делят элементы по содержанию в живом организме?

3. Перечислите макроэлементы. Какова их доля от массы клетки?

4. Назовите микроэлементы. Каково их содержание в клетке? В состав каких жизненно важных веществ входят эти элементы?

5. Какие элементы относят к ультрамикроэлементам? Приведите примеры.

6. Почему элементы C, H, O, N называют также биогенными элементами? Какие вещества, содержащиеся в пище, восполняют потребность в этих элементах?

7. Приведите пример биологически важного органического соединения, содержащего железо, и опишите его роль в процессах жизнедеятельности.

8. В каком предложении о кислороде говорится как о химическом элементе, а в каком – как о простом веществе?

А. Содержание кислорода в выдыхаемом воздухе составляет 16%.

Б. Доля кислорода составляет 70% от массы клетки.

Влияние микроэлементов на среду для культур клеток и последующую обработку

Несмотря на высокую эффективность и целевую специфичность биофармацевтических препаратов, все еще существует множество проблем, связанных с достижением эффективного производства терапевтических белков. К ним относятся открытие новых подходов к максимальной экспрессии белка, разработка экономичных, гибких и надежных производственных процессов для максимального увеличения выхода продукта и решение сложных проблем, связанных с повторной укладкой белков в их активное состояние.

Одна из областей, в которой растет интерес к решению этих проблем, - это микроэлементы в средах для культивирования клеток и последующая обработка. Микроэлементы в средах для культивирования клеток и добавках могут стимулировать или ингибировать рост клеток и экспрессию или качество белка на различных уровнях во время предшествующих процессов.

Доктор Нанду Деоркар, вице-президент по исследованиям и разработкам Avantor, и Клаудиа Беррон, вице-президент по глобальному коммерческому развитию биофармацевтики Avantor, обсуждают влияние, которое следы металлов могут иметь на среду для культивирования клеток и последующую обработку.

Почему важно понимать влияние следов металлов на биофармацевтическое производство, особенно на разведке и добыче?

Восходящий процесс (USP) в биофармацевтическом производстве обычно определяется как стадия, на которой терапевтические белковые молекулы продуцируются в биореакторах, как правило, линиями клеток бактерий или млекопитающих. Когда они достигают желаемой плотности для периодических культур или культур с подпиткой, материал проходит процесс сбора урожая, чаще всего непрерывное центрифугирование с последующей глубинной фильтрацией, для подготовки к последующей обработке (DSP).

Уровни и, что наиболее важно, согласованность микроэлементов от партии к партии являются критическими переменными, которые могут повлиять на рост клеток, поэтому необходимо тщательно контролировать все элементарные примеси для всего поступающего сырья. Минимальные изменения на уровне частей на миллиард определенных элементарных примесей могут повлиять на характер гликозилирования, уменьшить рост клеток-мишеней и, в некоторых случаях, прекратить рост или повлиять на терапевтические свойства.

Насколько подробно изучен этот вопрос?

В рамках разработки сред для культивирования клеток ключевая роль микроэлементов в регулировании осмоляльности и функции клеток была тщательно изучена.Тем не менее, микроэлементы и их влияние на последующую обработку привлекают все больше внимания, с акцентом на то, как уровни следовых металлов влияют на экспрессию белка и производительность процесса биореактора, а также исследования и документацию о влиянии низких уровней следов металлов. За последние несколько лет производители и поставщики биофармацевтических сред для культивирования клеток, а также пищевых добавок и питательных веществ начали улучшать знания о влиянии изменчивости от партии к партии примесей металлических примесей при предварительной обработке.В пределах низких уровней следов металлов необходимо дальнейшее изучение эффектов изменчивости низких уровней, учитывая, что изменчивость будет влиять на каждую молекулу по-разному.

Как следы металлов вводятся при первичной переработке?

Их можно ввести несколькими способами: микроэлементы могут присутствовать в средах для культивирования клеток, источники энергии углеводов (сахара), такие как сахароза и галактоза, и они могут присутствовать в материалах, таких как бикарбонат натрия, которые используются для регулирования факторов pH. в биореакторах.Есть также производители биофармацевтических препаратов, которые определили, что введение минеральных элементов в качестве добавок может помочь в достижении целевых выходов, влияя на паттерны гликозилирования и влияя на процессы сворачивания / разворачивания белка в целевой молекуле.

Следы металлов, которые больше всего влияют на переработку, - это цинк, алюминий, марганец, молибден и железо. В некоторой степени ко второй категории относятся медь и никель. Это наиболее распространенные элементы, влияющие на паттерн гликозилирования.

Как следы металлов могут повлиять на исходный процесс?

Есть несколько потенциальных эффектов. Как уже говорилось, могут происходить изменения в паттерне гликозилирования. В общем, гликозилирование трудно точно контролировать в клетках млекопитающих, поскольку оно зависит от множества факторов, таких как клональные вариации, среды, а также условия культивирования. Оптимизация среды для культивирования клеток зависит от линии клеток из-за метаболизма и потребления питательных веществ конкретными линиями клеток.Микроэлементы могут влиять на гликозилирование, поскольку они могут модулировать активность различных ферментов и переносчиков, таких как гликозилтрансферазы, маннозидазы и лизосомальные гидролазы.

Кроме того, если производимый белок имеет реактивные пространства, которые реагируют на различные следы металлов или соотношение определенных металлов, во время сворачивания и разворачивания белка могут происходить реакции, такие как окисление. В случае производства заместительной ферментной терапии могут возникнуть другие реакции. В составе фермента могут присутствовать следы металлов, которые могут быть заменены другими следами металлов, поступающими из внешних источников, такими как галактоза или бикарбонат натрия, вызывая различные реакции, которые могут повлиять на выход продукции.

Какие уровни следов металлов могут вызывать эти эффекты?

К сожалению, лучший ответ на этот вопрос - «это зависит от обстоятельств». Он включает в себя целевую молекулу, фермент, используемое генетическое секвенирование, и, поскольку каждая биофармацевтическая компания использует эти элементы уникальным образом, требования к металлическим следам чрезвычайно индивидуальны. Также важно знать, что условия процесса могут влиять на то, как сами следы металлов взаимодействуют с клеткой-мишенью во время биопроцессинга.Окружающая среда клетки, внешняя среда и температура среды могут влиять на поглощение микроэлементов и их метаболизм в клетках.

В Avantor мы провели исследования влияния изменчивости уровней следовых количеств железа и изучили изменения в уровнях от 100 до 300 частей на миллиард. В молекуле, использованной для этого исследования, если уровни железа превышали 300 частей на миллиард, наблюдалось изменение гликозилирования. Таким образом, эти уровни в 100 частей на миллиард заслуживают изучения и, как мы полагаем, заслуживают контроля из-за наблюдаемых воздействий.

Насколько хорошо понятны эти эффекты?

Это важная область биологической обработки, требующая дальнейшего изучения. Хорошо известно, что следовые количества металлов влияют на биологическое производство выше по течению, и более низкие уровни лучше, но при этом необходим некоторый уровень следов металлов. Понятно, что существует множество источников микроэлементов металлов, и растет понимание того, что вариации в низких уровнях следов металлов могут отрицательно повлиять на выходы биопроцессов выше по потоку, а также на качество собранных клеток.Но как именно и почему эти следы металлов вызывают эти эффекты, еще не изучено.

Следующей областью исследования является взаимодействие двух различных металлических примесей друг с другом и их совместное влияние на процесс. Некоторые белки имеют более сложные процессы, и мы заметили, что изменение соотношения двух элементов - в данном примере никеля и меди - влияет на то, как работает белок. Почему именно это происходит, еще предстоит изучить и понять.

Как эти взаимодействия следов металлов в предшествующем процессе влияют на производство лекарств в целом?

В конечном итоге, неправильно контролируемые уровни следов металлов влияют на выход продукта в процессе производства. Неправильные или непостоянные уровни следов металлов, вводимых в процесс из разных источников, могут повлиять на выход продукции на начальных этапах производства. Например, если вы производите три грамма на литр антитела, и из-за этого половина грамма на литр не гликозилируется должным образом, то вы значительно снижаете свой исходный выход.

Это также влияет на последующий процесс очистки. В предшествующем процессе производства клеточной культуры цель состоит в том, чтобы получить как можно большее количество максимально чистого материала. Если уровни чистоты не являются оптимальными, вам может потребоваться выполнить дополнительную стадию последующей очистки для достижения общих целевых показателей выхода процесса. Это увеличивает временные и материальные затраты, поэтому за счет лучшего контроля над всеми источниками следов металлов в восходящем процессе и определения правильных низких уровней этих следов металлов, а затем обеспечения того, чтобы эти низкие уровни были постоянными, этот риск этих негативных воздействий можно уменьшить.

Также важно отметить, что после того, как вы определили оптимальные уровни следовых металлов и взаимодействия различных следов металлов в процессе культивирования клеток, такие же уровни следовых металлов должны присутствовать в процессе создания банка клеток. Если концентрация следов металлов на этапе накопления клеток отличается от среды для производства клеток, накопленные клетки могут быть «шокированы» при переносе из банков клеток в производство.

Как следует устранять или контролировать следы металлов?

Есть два способа улучшить контроль.Первый - это лучшее понимание того, как следы металлов полностью влияют на урожайность, в зависимости от клеток и процесса. Это включает в себя проведение исследований DOE, в которых используются материалы с полностью охарактеризованными уровнями следов металлов, которые согласованы и производятся в соответствии с процессами cGMP. В противном случае существует риск того, что по мере того, как производители переходят от исследований к уровню производства, результаты могут значительно отличаться. Зная, каковы были уровни следов металлов в исследовании Министерства энергетики, и обеспечение того, чтобы материалы, используемые при увеличении масштаба, имели одинаковые постоянные низкие уровни, позволили бы достичь целевого уровня добычи.

Это означает наличие стратегии обработки сырья, используемого для предшествующего производства, и определение допустимых уровней следов металлов во всем сырье, которое используется в вашем предшествующем процессе. Это выходит за рамки только первоначального состава среды для культивирования клеток в начале процесса. Он должен включать источники углерода, такие как галактоза или декстроза, которые могут быть добавлены в больших количествах в нескольких точках подачи в восходящем процессе.

Avantor, например, производит сахара с низким содержанием эндотоксина (HPLE) высокой чистоты, включая сахарозу, галактозу и дигидрат трегалозы.Эти сахара были произведены с использованием запатентованных методов очистки и были охарактеризованы, чтобы постоянно содержать менее пяти частей на миллиард следов металлов, включая цинк, никель, медь и кадмий.

Производитель может добавлять другие материалы только один раз на определенном этапе процесса, например, аминокислоты, факторы роста и материалы для контроля pH. Все они являются потенциальными источниками следов металлов, которые могут накапливаться; Хотя было проделано больше работы по определению содержания следов металлов в источниках углеводов, этим другим материалам уделялось не так много внимания.

Какие результаты могут ожидать производители биофармацевтических препаратов при улучшении характеристик и контроля следов металлов?

Потенциальным результатом является надежный восходящий процесс, который намного более предсказуем и находится под контролем. Это означает, что нет изменений в продукции белка от партии к партии из клетки-мишени и при гораздо более чистых выходах. Это может затем повлиять на последующие процессы, позволяя максимально упростить этапы очистки и потенциально исключая этап очистки.

В конечном счете, понимание и определение целевых уровней следов металлов означает признание того, что они играют роль в таких процессах, как разворачивание белков и гликозилирование. Это означает признание того, что все материалов, используемых в процессах - углеводы, аминокислоты, материалы для контроля pH - могут вносить следы металлов таким образом, который в совокупности может повлиять на выход и качество в начале технологической цепочки. Определение уровней следов металлов и обеспечение полной характеристики всех исходных материалов обеспечит основу для самого строгого контроля.

Компания Avantor ( www.avantorinc.com ), работающая в более чем 30 странах мира, является ведущим мировым поставщиком интегрированных индивидуальных решений для биологических наук и отраслей передовых технологий.

Микроэлементы и защита хоста: последние достижения и сохраняющиеся проблемы | Журнал питания

Аннотация

Хотя широко признано, что основные микроэлементы необходимы для дифференциации, активации и выполнения многочисленных функций иммунных клеток, конкретная роль этих неорганических микроэлементов в этих процессах остается в значительной степени неопределенной.Новое понимание участия цинка, железа и меди в отборе, созревании и ранней активации иммунных клеток было получено путем разумного использования доступных инструментов в аналитической клеточной биологии, молекулярной генетике и матричной технологии. Кроме того, рандомизированные контролируемые клинические испытания и исследования в сообществе демонстрируют, что добавление цинка может повысить иммунокомпетентность и снизить частоту и тяжесть некоторых инфекций у лиц с диагностированным или предполагаемым легким дефицитом цинка.Эти захватывающие результаты дают импульс для оценки потенциальных преимуществ программ приема добавок для отдельных лиц и групп с субоптимальным статусом микроэлементов как экономически эффективного средства снижения риска инфекционных заболеваний.

Исследования, проведенные в последней четверти 20 века, четко установили важность адекватного питания с микроэлементами для защиты животных и людей от инфекций. Стандартная парадигма заключалась в том, чтобы каталогизировать влияние индуцированного и генетического дефицита микроэлементов на количество и эффекторную активность различных классов лейкоцитов в крови, костном мозге и лимфоидных органах.Наибольшее внимание привлекли железо, цинк, медь и селен. Данные в подавляющем большинстве подтверждают следующие общие выводы: 1 ) недостаточное снабжение этими основными питательными микроэлементами связано с подавлением многочисленных видов активности клеток как врожденной, так и приобретенной ветви иммунной системы; 2 ) наблюдаемые изменения могут отражать либо снижение активности отдельных клеток, уменьшение общего количества эффекторных клеток в одной или нескольких тканях, либо комбинацию меньшего количества клеток, при этом каждая клетка имеет уменьшенную емкость; 3 ) степень нарушения иммунной системы из-за дефицита микроэлементов может быть достаточной для увеличения риска заболеваемости и смертности из-за вирусных, микробных и паразитарных инфекций; и 4 ) устранение дефицита микроэлементов восстанавливает иммунокомпетентность.Более того, появляется все больше свидетельств того, что некоторые типы клеток и эффекторные активности, по-видимому, особенно чувствительны к маргинальному и умеренному дефициту микроэлементов. Для получения конкретных сведений о взаимосвязи между питательным статусом микроэлементов и функцией иммунной системы следует обращаться к недавним обзорам (1–7).

Доступность мощных инструментов в аналитической клеточной биологии и молекулярной генетике облегчила попытки начать идентификацию конкретных клеточных и молекулярных функций микроэлементов в созревании, активации и функциях защитных клеток хозяина.В частности, дефицит ряда микроэлементов изменяет секрецию внеклеточных факторов, которые модулируют активность иммунных клеток и других типов клеток, которые участвуют в ответе хозяина на раздражители и инфекционные агенты. Более того, недавние демонстрации того, что добавление людей с умеренным дефицитом цинка снижает распространенность или тяжесть некоторых распространенных инфекционных заболеваний, вселяют оптимизм в отношении того, что улучшение статуса микроэлементов у лиц с первичным и вторичным дефицитом представляет собой эффективное средство повышения иммунокомпетентности.Эти темы более подробно рассматриваются ниже с акцентом на недавние открытия в области цинка, железа и меди.

Прежде чем продолжить, стоит прокомментировать два пункта. Во-первых, еще многое предстоит узнать об общих эффектах «ультраследных» элементов на иммунитет, что подтверждается недавними наблюдениями за бором. Дополнение диеты с низким содержанием бора физиологическими уровнями микроэлементов увеличивает общие концентрации антител в сыворотке крови у крыс в ответ на введение вакцины против брюшного тифа человека и уменьшает отек лап у крыс с антиген-индуцированным артритом (8).Кроме того, добавление к диете с низким содержанием бора всего 2 мг бора / кг уменьшает отек лап у крыс с антиген-индуцированным артритом. Этот ослабленный ответ связан с уменьшением количества нейтрофилов и увеличением количества естественных клеток-киллеров и цитотоксических Т-клеток в крови крыс, получавших бор, по сравнению с таковыми у крыс, получавших базовый рацион (0,1 мг бора / кг). диета). Точно так же добавление к рациону с низким содержанием бора всего 5 мг бора / кг уменьшает воспаление у свиней после внутрикожной инъекции фитогемагглютинина, но не изменяет митогенную реактивность лимфоцитов или титры сывороточных антител в ответ на инъекцию бараньего красного. клетки крови (9).Изучение влияния других ультрамелких металлов на реакцию хозяина на иммунологические изменения, вероятно, позволит получить дополнительную информацию о потребностях и иммуномодулирующей роли неорганических микроэлементов в защите хозяина.

Общий обзор роли микроэлементов и иммунитета будет неполным без упоминания захватывающих открытий Бека и Левандера. Эти исследователи показали, что изменения во внутриклеточной среде, вызванные изменениями статуса питательных микроэлементов, могут напрямую влиять на вирулентность вируса и, кроме того, могут вызывать дисфункцию иммунной системы.Дозорным открытием является то, что дефицит селена способствует мутации авирулентного штамма вируса Коксаки в сердце в штамм, вызывающий миокардит, когда вирус передается от человека с дефицитом селена к хозяину с адекватным питанием (10). Поскольку эта модификация вирусного генома также наблюдается у мышей, которые либо испытывают дефицит витамина Е, либо перегружены железом, либо лишены гена глутатионпероксидазы, представляется, что более окислительная внутриклеточная среда, являющаяся результатом недостаточного или избыточного уровня некоторых микроэлементов. способствует изменению генома, которое увеличивает вирулентность.Недавнее открытие, что дефицит селена также увеличивает патологию легких у мышей, инфицированных вирусом гриппа, демонстрирует, что этот эффект не ограничивается вирусом Коксаки (11). В презентации М.Е.Бека на этой конференции представлены дополнительные сведения об этих исследованиях и рассматриваются последствия дефицита и избытка микроэлементов для возникновения инфекционных заболеваний (12).

Роль микроэлементов в созревании, активации и функционировании иммунных клеток

Иммунные клетки, как и все другие типы клеток, требуют достаточного количества микроэлементов для структуры и функции металлопротеинов, которые участвуют в таких домашних процессах, как производство энергии (например,g., железо для цитохромов a, b и c , НАДН и сукцинатдегидрогеназы; медь для цитохрома c оксидазы в митохондриальной цепи переноса электронов) и защита от активных форм кислорода (например, медь и цинк для супероксиддисмутазы, селен для глутатионпероксидазы и железо для каталазы). Более того, непрерывное образование иммунных клеток в костном мозге и клональное расширение лимфоцитов в ответ на антигенную стимуляцию требует наличия достаточного количества железа и цинка для синтеза предшественников дезоксирибонуклеотидов рибонуклеотидредуктазой и для различных нуклеотидилтрансфераз и белков цинковых пальцев. которые необходимы для репликации ДНК и деления клеток соответственно.Кроме того, микроэлементы, вероятно, необходимы для активности ряда ферментов, которые непосредственно участвуют в процессах защиты хозяина. Очевидным примером такой роли является потребность в гемовом железе для миелопероксидазозависимого образования хлорноватистой кислоты, которая является микробиоцидным фактором. Несомненно, появятся дополнительные открытия металлоферментов, которые необходимы для нормального развития и реактивности иммунных клеток.

Состояние микроэлементов может влиять на уровни гормонов в плазме, которые регулируют развитие и функцию защитных клеток хозяина.Наиболее подробное понимание этой области было получено в элегантных исследованиях Фрэкера и его сотрудников. Первоначальные исследования, в которых использовалась модель на мышах, показали, что атрофия тимуса и лимфопения, связанные с дефицитом цинка у грызунов, являются результатом хронического повышения уровня кортикостерона в плазме (4). Последующие исследования показали, что повышенный уровень глюкокортикоидов в плазме и пониженное содержание цинка в клетках у животных с дефицитом цинка способствует сокращению компартментов B- и T-клеток, вызывая апоптотическую потерю предшественников и незрелых B-клеток в костном мозге (13). и пре-Т-клеток в тимусе (14).В сочетании с уменьшением лимфоидных отделов дефицит цинка связан с увеличением миелопоэза и количества нейтрофилов, присутствующих на периферии. Это говорит о том, что расширение врожденного плеча иммунной системы за счет приобретенного плеча может представлять собой адаптивный переключатель, когда цинк становится ограничивающим. Дефицит цинка также связан с потерей активности тимулина (15). Тимулин - это цинк-связывающий нонапептид, секретируемый эпителиальными клетками тимуса, которому цинк необходим для ускорения экстратимического созревания Т-лимфоцитов.

Статус микроэлементов также влияет на синтез и секрецию цитокинов и хемокинов, которые модулируют активность иммунных и других клеток. Исследования Prasad и соавторов демонстрируют, что умеренный дефицит цинка у людей вызывает дисбаланс секреции цитокинов ex vivo мононуклеарными клетками периферической крови, несмотря на поддержание нормального количества лейкоцитов, B- и T-лимфоцитов (16). Ограничение содержания цинка в пище связано со снижением секреции интерферона- γ , фактора некроза опухоли α и интерлейкина (ИЛ) -2, 4 без изменения концентраций ИЛ-4, -6 и -10, когда кровь мононуклеарные клетки обрабатывают фитогемагглютинином.Пораженные и неповрежденные цитокины секретируются клетками Т-хелперов (TH) 1 и Th3 соответственно, а фитогемагглютин в первую очередь вызывает ответ клеток Th2. Неблагоприятное влияние дефицита цинка на чувствительность клеток Th3 также очевидно, когда стимул вызывает ответ этой субпопуляции клеток. Спленоциты, выделенные от мышей с дефицитом цинка, инфицированных кишечной нематодой, секретируют меньше IL-4 и -5 после воздействия паразитарного антигена, чем клетки, обработанные идентично обработанными клетками от мышей, адекватных цинку (17).Эти наблюдения предполагают, что цинк играет важную роль в поддержании надлежащего баланса между клеточным и гуморальным иммунитетом, регулируя паттерны секреции цитокинов.

Абсорбирующие эпителиальные клетки тонкого кишечника участвуют в иммунном надзоре: эти клетки обрабатывают и представляют диетические антигены на своей базолатеральной поверхности и синтезируют многочисленные цитокины, хемокины и факторы роста, которые модулируют активность иммунных клеток кишечника. Недавние исследования дифференцированных культур клеток кишечника человека Caco-2 показали, что повышенный статус клеточного железа снижает количество трансформирующего фактора роста- β 1 и мРНК хемотаксического белка моноцитов-1 в неинфицированных клетках (18).Напротив, количество трансформирующего фактора роста- β 1, хемотаксического белка моноцитов-1, IL-8 и мРНК фактора некроза опухоли α выше в нагруженных железом клетках, инфицированных Salmonella enteritidis , чем в инфицированных клетках. с нормальным состоянием железа. Влияние нагрузки энтероцитами железом на реакцию иммунной системы кишечника на раздражители и инфекционные агенты заслуживает исследования, особенно в свете широкого использования добавок железа.

Недавние исследования показывают, что внутриклеточный цинк, медь и железо участвуют в активации иммунных клеток.Например, дефицит каждого из этих микроэлементов снижает синтез и секрецию IL-2 (6,19,20). Транскрипционная активность гена IL-2 подавляется в Т-клетках с дефицитом цинка (21) и медью (19,22), обработанных фитогемагглютинином и ацетатом форбола миристата. В свете центральной роли ядерного фактора транскрипционного фактора (NF) - κ B в экспрессии генов цитокинов в Т-лимфоцитах и ​​других иммунных клетках было изучено влияние неадекватного статуса цинка и меди на NF- κ B. чтобы определить, связано ли снижение транскрипции гена IL-2 с нарушенной активностью этого окислительно-восстановительного фактора транскрипции.NF- κ B представляет собой гомо- или гетеродимерный комплекс, который локализован в цитоплазме покоящихся клеток за счет его ассоциации с ингибирующим белком I- κ B (23). Связывание стимулов с поверхностными рецепторами приводит к фосфорилированию нескольких сериловых остатков в I- κ B с его последующим убиквитинированием, диссоциацией из комплекса NF- κ B и деградацией. Димер NF- κ B перемещается в ядро, где он взаимодействует с другими ядерными белками и узнаваемыми последовательностями в промоторной области генов-мишеней.Подобно многим факторам транскрипции, NF- κ B имеет несколько цинк-связывающих пальцев, которые необходимы для связывания активированного димера с ДНК. Хотя возможно, что дефицит цинка в клетке снижает содержание цинка и, следовательно, ДНК-связывающую активность фактора транскрипции, низкий статус цинка связан со сниженным переносом NF- κ B в ядро, снижением уровней фосфорилированных и убиквитинированных I- κ B и снижение активности киназы I- κ B, которая фосфорилирует I- κ B в стимулированных клетках (21).Более того, эти изменения достаточно устойчивы, чтобы влиять на транскрипционную активность NF- κ B-управляемую экспрессию репортерного гена в цинк-дефицитных трансфицированных клетках. Эти результаты предполагают, что дефект передачи сигналов в цинк-дефицитных Т-клетках находится выше по течению от киназы I- κ B. Цинк-зависимые активности лимфоцитов, которые являются кандидатами на дефектную активацию пути NF- κ B, включают фосфолипазу C, протеинкиназу C (PKC) и белок лимфоцит-киназу (LCK), передающий сигнал «цинковый палец».LCK необходим для процессов передачи сигнала, связанных с Т-клетками и рецепторами, которые активируют периферические лимфоциты, а также отбор и созревание лимфоцитов в тимусе. Экспрессия LCK как в лимфоцитах селезенки (24), так и в тимоцитах (25) увеличивается в ответ на умеренный дефицит цинка у мышей, тогда как экспрессия и активность фосфолипазы С и PKC селезенки не зависят от статуса цинка (24).

В отличие от результатов с цинк-дефицитными клетками, предварительные результаты нашей лаборатории показывают, что дефицит меди не изменяет ядерную транслокацию и транскрипционную активность NF- κ B ни в Т-клетках Jurkat, ни в моноцитарных клетках U937 (26 , 27).Однако экспрессия NF-AT-зависимого репортерного гена в клетках Jurkat снижается из-за дефицита меди (26). Возможное участие меди в кальциневрин-зависимой активации цитоплазматического NF-AT (28) требует исследования. Сообщения о том, что медь требуется для экспрессии, активности и связывания PKC с мембраной в некоторых типах неиммунных клеток (29,30) и фосфоинозитид-3-киназы в фибробластах кожи человека и клетках HeLa (31), дают дополнительное направление для изучения роли меди в активация иммунных клеток.

Дефицит железа также снижает общую активность PKC в активированных Т-клетках и перенос PKC из цитоплазмы на поверхность цис плазматической мембраны (32). Связанный с мембраной фермент фосфорилирует многочисленные целевые белки, которые участвуют в процессах передачи сигналов. Нарушение транслокации PKC из цитоплазмы на плазматическую мембрану связано с нарушением гидролиза фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата с образованием инозитолфосфатов (33). Эти данные предполагают, что подавление эффекторных функций в железодефицитных Т-клетках является результатом частично потому, что адекватный пул железа необходим для ранних событий, которые связаны с активацией клеток, включая генерацию вторичных мессенджеров.

Добавление следов металлов для снижения заболеваемости инфекционными заболеваниями

Широкое распространение предельного и умеренного дефицита железа и цинка у людей послужило толчком для определения того, может ли добавление этих металлов в отдельности или в качестве адъюванта предотвращать, ослаблять и лечить инфекционные заболевания. Однако также признается, что потребности хозяина должны быть сбалансированы с учетом возможности того, что избыточное количество окислительно-восстановительных металлов, таких как железо и медь, может вызывать повреждения, опосредованные свободными радикалами, и что вирусам и инфекционным микроорганизмам также требуются те же микроэлементы. для их выживания и репликации в качестве хозяина.Кроме того, избыток металлических микроэлементов, как и их дефицит, подавляет функцию иммунных клеток и увеличивает риск заболеваемости и смертности из-за инфекционных заболеваний. Например, бактерицидная и опухолевидная активность фагоцитарных клеток, цитотоксичность естественных клеток-киллеров, фенотипический профиль субпопуляций Т-клеток, пролиферативная способность и активность клеток CD4 и реактивность Т-клеток по отношению к митогенам - все это отрицательно сказывается наследственным гемохроматозом. и состояния, требующие частых переливаний крови (33,34).Несколько клинических отчетов предполагают, что высокий статус железа может увеличить скорость прогрессирования болезни, вызванной вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ), и снизить выживаемость (35,36). Что касается избытка цинка, добавление здоровым взрослым мужчинам 300 мг цинка в день в течение 6 недель ухудшает хемотаксис и фагоцитарную активность нейтрофилов против бактерий и лимфоцитарный ответ на митогенную стимуляцию (37). Точно так же фагоцитарная и фунгицидная активность моноцитов нарушается, а частота и продолжительность эпизодов импетиго увеличиваются, когда младенцам-маразматам вводят цинк (1.9 мг цинка · кг −1 · сутки −1 ) во время 105-дневной программы диетологической реабилитации (38). Неясно, являются ли эти проблемы результатом прямой токсичности высоких уровней цинка для иммунных клеток или вызванного цинком вторичного дефицита меди. Перегрузка медью также может повлиять на иммунную систему. Крысы LEC характеризуются избыточным накоплением меди в печени, нарушением экскреции меди с желчью и низкой активностью церулоплазмина в плазме из-за делеции гена, транспортирующего медь ATP7B, который гомологичен гену болезни Вильсона человека (39).Лимфоидные аномалии в этой модели включают гипоплазию тимуса и селезенки, снижение концентрации сывороточного иммуноглобулина G и селективную остановку созревания клеток CD4 (40). Неизвестно, накапливают ли лимфоидные клетки у этих животных или у людей с болезнью Вильсона токсические уровни меди.

В течение последних нескольких лет ряд исследователей сообщили об обнадеживающих выводах об очевидных преимуществах добавок цинка для избранных целевых групп населения. Например, люди с ВИЧ подвержены высокому риску развития дефицита цинка и других питательных микроэлементов в результате снижения аппетита, мальабсорбции и увеличения потерь эндогенного цинка из-за диареи и рецидивирующих инфекций.Развитие болезни до стадии IV связано со снижением содержания цинка в плазме, инактивацией тимулина из-за диссоциации связанного цинка и уменьшением количества Т-клеток CD4 (15). Потенциальная польза перорального приема цинка для людей с ВИЧ для восстановления адекватного цинкового статуса и, возможно, повышения компетентности иммунной системы была поставлена ​​под сомнение результатами наблюдательного исследования с участием ВИЧ-инфицированных гомосексуальных мужчин. Результаты показывают, что повышенное потребление цинка связано с повышенным риском прогрессирования синдрома приобретенного иммунодефицита и повышенной смертности (41,42).Предполагается, что дополнительный комплемент цинка может способствовать репликации ВИЧ за счет увеличения доступности металла для цинк-зависимых вирусных белков, таких как интеграза, белок нуклеокапсида и белок ТАТ (двойная транслокация аргинина). Однако информация о потреблении цинка ограничена уровнями, о которых сообщают сами в начале исследования. Обратная связь между зарегистрированным потреблением и количеством клеток CD4 предполагает, что люди с более поздней стадией заболевания, вероятно, будут использовать добавки.В отличие от вышеуказанного результата, положительный эффект перорального цинка в качестве адъюванта для лечения заболевания был продемонстрирован в рандомизированном контролируемом исследовании. В течение 30 дней пациенты с III и IV стадией ВИЧ, принимавшие зидовудин, либо получали добавку цинка (45 мг цинка в день), либо не получали добавку (15). В дополнение к повышенным уровням цинка в плазме, активности тимулина и абсолютному количеству клеток CD4, люди, принимавшие добавки цинка, сохраняли вес, имели более низкие титры ВИЧ и меньше страдали от оппортунистических инфекций в течение 2 лет.Читателю рекомендуется ознакомиться с несколькими исчерпывающими обзорами для получения дополнительной информации о взаимосвязи между цинковым питанием и ВИЧ-инфекцией (43,44).

Умеренный дефицит цинка часто встречается у детей и взрослых с серповидно-клеточной анемией (45). Результаты пилотного исследования показывают, что длительный прием 50–75 мг цинка в сутки (перорально) у взрослых пациентов с серповидно-клеточной анемией с дефицитом цинка значительно увеличивает содержание цинка в лимфоцитах и ​​гранулоцитах и ​​индуцирует в несколько раз повышение уровня ИЛ- 2 секреция культурами мононуклеарных клеток периферической крови, обработанными фитогемагглютинином.Кроме того, частота подтвержденных бактериальных инфекций дыхательных и мочевыводящих путей и клинических инфекций, которые, вероятно, имели вирусное происхождение, значительно снизилась в группах, получавших цинк. Примечательно, что не было никаких изменений ни в одном из этих показателей исходов для пациентов с серповидно-клеточной анемией и нормальным уровнем лейкоцитарного цинка в начале исследования, которые не получали дополнительный цинк. Эти положительные результаты побуждают исследователей проводить испытания с большим количеством пациентов с серповидно-клеточной анемией и оценивать пероральные добавки цинка в отношении повышения иммунокомпетентности в других группах с заболеваниями, вызывающими вторичный дефицит цинка, например.г., хроническая болезнь почек.

Главный успех в отношении положительного воздействия улучшения состояния питания микроэлементов и иммунной системы в течение последних нескольких лет связан с демонстрацией того, что добавление цинка детям (в возрасте 0,5–5 лет) значительно снижает частоту и продолжительность диареи и заболеваемость пневмонией (46–49). Подробности об этих важных результатах представлены Робертом Блэком в другом выступлении на конференции (49).

Келли Уолш оказала прекрасную помощь в подготовке этой рукописи.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.

Bonham

,

M.

,

O'Connor

,

JM

,

Hannigan

,

BM

и

Штамм

,

JJ

(

2002

)

Иммунная система как физиологическая индикатор маргинального статуса меди?

руб. J. Nutr.

87

:

393

-

403

.2.

Brock

,

J. H.

и

Mulero

,

V.

(

2000

)

Клеточные и молекулярные аспекты железа и иммунной функции

.

Proc. Nutr. Soc.

59

:

537

-

540

.3.

Failla

,

M. L.

и

Hopkins

,

R. G.

(

1997

)

Является ли низкий статус меди иммносупрессивным?

Нутр. Ред.

56

:

S59

-

S64

. 4.

Fraker

,

P.J.

,

King

,

L. E.

,

Laakko

,

T.

и

Vollmer

,

T. L.

(

2000

)

Динамическая связь между целостностью иммунной системы и статусом цинка

.

J. Nutr.

130

:

1399S

-

1406S

.5.

McKenzie

,

R.C.

,

Rafferty

,

T. S.

&

Beckett

,

G.J.

(

1998

)

Селен: важный элемент для иммунной функции

.

Immunol. Сегодня

19

:

342

-

345

.6.

Шанкар

,

А. Х.

и

Прасад

,

А. С.

(

1998

)

Цинк и иммунная функция: биологическая основа измененной устойчивости к инфекции

.

г. J. Clin. Nutr.

68

:

447S

-

463S

.7.

Спирс

,

J. W.

(

2000

)

Микроэлементы и иммунная функция крупного рогатого скота

.

Proc. Nutr. Soc.

59

:

587

-

594

,8.

Hunt

,

C. D.

&

Idso

,

J. P.

(

1999

)

Диетический бор как физиологический регулятор нормальной воспалительной реакции: обзор и текущий прогресс исследований

.

J. Trace Elem. Exp. Med.

12

:

221

-

233

.9.

Армстронг

,

Т. А.

,

Спирс

,

Дж.W.

и

Lloyd

,

K. E.

(

2001

)

Воспалительная реакция, рост и концентрация тиреоидных гормонов зависят от длительного приема бора у свинок

.

J. Anim. Sci.

79

:

1549

-

1556

.10.

Бек

,

М.А.

(

2001

)

Антиоксиданты и вирусные инфекции: иммунный ответ хозяина на вирусную патогенность

.

J. Am. Coll.Nutr.

20

:

384S

-

388S

.11.

Beck

,

MA

,

Nelson

,

HK

,

Shi

,

Q.

,

Van Dael

,

P.

,

Schiffrin

,

EJ

,

,

Barclay

,

D.

&

Levander

,

OA

(

2001

)

Дефицит селена увеличивает патологию вирусной инфекции гриппа

.

FASEB J.

15

:

1481

-

1483

.12.

Beck

,

M. A.

,

Levander

,

O.

и

Handy

,

J.

(

2003

)

Дефицит селена и вирусная инфекция

.

J. Nutr.

133

:

1463S

-

1467S

. 13.

Fraker

,

P. J.

и

King

,

L. E.

(

2001

)

Особая роль апоптоза в изменениях лимфопоэза и миелопоэза, вызванных дефицитом цинка

.

FASEB J.

15

:

2572

-

2578

. 14.

King

,

LE

,

Osati-Ashtiani

,

F.

и

Fraker

,

PJ

(

2002

)

Апоптоз играет особую роль в потере предшественников лимфоцитов при дефиците цинка.

.

J. Nutr.

132

:

974

-

979

.15.

Мокчегиани

,

E.

и

Муцциоли

,

M.

(

2000

)

Терапевтическое применение цинка против вируса иммунодефицита человека против оппортунистических инфекций

.

J. Nutr.

130

:

1424S

-

1431S

.16.

Beck

,

FW

,

Prasad

,

AS

,

Kaplan

,

J.

,

Fitzgerald

,

JT

и

Brewer

,

GJ

продукция цитокинов и субпопуляции Т-клеток у экспериментально индуцированных людей с дефицитом цинка

.

г. J. Physiol.

272

:

E1002

-

E1007

. 17.

Scott

,

M. E.

&

Koski

,

K. G.

(

2000

)

Цинк ослабляет иммунные ответы против паразитарных нематодных инфекций в кишечнике и в системных участках

.

J. Nutr.

130

:

1412S

-

1420S

. 18.

Фостер

,

С. Л.

,

Ричардсон

,

С.H.

и

Failla

,

M. L.

(

2001

)

Повышенный уровень железа увеличивает бактериальную инвазию и выживаемость и изменяет экспрессию мРНК цитокинов / хокинов в клетках кишечника человека Caco-2

.

J. Nutr.

131

:

1452

-

1458

.19.

Hopkins

,

R. G.

и

Failla

,

M. L.

(

1997

)

Дефицит Cu снижает продукцию интерлейкина-2 и уровни мРНК в Т-лимфоцитах человека

.

J. Nutr.

127

:

257

-

262

.20.

Galan

,

P.

,

Thibault

,

H.

,

Preziosi

,

P.

и

Hercberg

,

S.

(

1992

)

Производство интерлейкина-2 детский

.

Biol. Trace Elem. Res.

32

:

421

-

426

. 21.

Прасад

,

A. S.

,

Bao

,

B.

,

Beck

,

F. W. J.

и

Sarkar

,

F. H.

(

2001

)

Цинк активирует NF- κ B в ячейках HUT-78

.

J. Lab. Clin. Med.

138

:

250

-

256

. 22.

Hopkins

,

R. G.

и

Failla

,

M. L.

(

1999

)

Транскрипционная регуляция экспрессии гена интерлейкина-2 нарушена дефицитом меди в Т-лимфоцитах человека Jurkat

.

J. Nutr.

129

:

596

-

601

. 23.

Janssen-Heininger

,

YMW

,

Poynter

,

ME

и

Baeuerle

,

PA

(

2000

)

Последние достижения в понимании окислительно-восстановительных механизмов активации ядерного фактора

κ .

Свободный Радич. Биол. Med.

28

:

1317

-

1327

.24.

Лепаж

,

л.M.

,

Giesbrecht

,

JAC

и

Taylor

,

CG

(

1999

)

Экспрессия Т-лимфоцита p56lck, белка передачи сигнала цинкового пальца, повышается из-за дефицита цинка в пище и дефицита калорий. мыши

.

J. Nutr.

129

:

620

-

627

,25.

Moore

,

J. B.

,

Blanchard

,

R. K.

,

McCormack

,

W.T.

и

Cousins ​​

,

R.J.

(

2001

) Анализ массива кДНК

выявил, что LCK тимуса активируется при умеренном дефиците цинка у мышей до изменения популяции Т-лимфоцитов

.

J. Nutr.

131

:

3189

-

3196

. 26.

Hopkins

,

RG

и

Failla

,

ML

(

2001

)

Снижение синтеза интерлейкина-2 (IL-2) в Т-клетках с дефицитом меди, опосредованное ингибированием фактора транскрипции NF-AT

.

FASEB J.

15

:

A272

(абс. 237,8) 27.

Huang

,

ZL

,

Hopkins

,

RG

и

Failla

,

ML

(

2001

)

Дефицит меди снижает экспрессию TNF- α , несмотря на нормальную активность NF B κ и AP-1 в моноцитарных клетках U937 человека

.

FASEB J.

15

:

A1097

(абс. 842,2). 28.

Crabtree

,

г.R.

(

2001

)

Кальций, кальциневрин и контроль транскрипции

.

J. Biol. Chem.

276

:

2313

-

2316

,29.

Johnson

,

W. T.

и

Dufault

,

S. N.

(

1991

)

Дефицит меди изменяет опосредование протеинкиназой C индуцированной тромбином секреции плотных гранул тромбоцитами крысы

.

J. Nutr. Biochem.

2

:

663

-

670

.30.

Davis

,

C. D.

и

Johnson

,

W. T.

(

2002

)

Диетическая медь влияет на индуцированное азометаном образование кишечных опухолей и экспрессию белка изофермента протеинкиназы C и мРНК

.

J. Nutr.

132

:

1018

-

1025

. 31.

Острахович

,

E.A.

,

Lordnejad

,

M. R.

,

Schliess

,

F.

,

Sies

,

H.

и

Klotz

,

L.O.

(

2002

)

Ионы меди сильно активируют путь фосфоинозитид-3-киназы / AKT независимо от образования активных форм кислорода

.

Arch. Biochem. Биофиз.

397

:

232

-

239

.32.

Kuvibidila

,

SR

,

Kitchens

,

D.

и

Baliga

,

BS

(

1999

)

Дефицит железа in vivo и in vitro снижает активность протеинкиназы C и транслокацию у мышей очищенные Т-клетки

.

J. Cell. Biochem.

74

:

468

-

478

. 33.

Kuvibidila

,

SR

,

Baliga

,

BS

,

Warrier

,

RP

и

Suskind

,

RM

(

1998

)

Дефицит гидросфосфатных клеток в клетках с фосфолизом снижает гидросфосфатные мембраны. 4,5-бисфосфат при активации лимфоцитов селезенки у мышей C57BL / 6

.

J. Nutr.

128

:

1077

-

1083

.34.

Walker

,

E. M.

и

Walker

,

S. M.

(

2000

)

Влияние перегрузки железом на иммунную систему

.

Ann. Clin. Лаборатория. Sci.

30

:

354

-

365

.35.

Cunningham-Rundles

,

S.

,

Giardina

,

P. J.

,

Grady

,

R. W.

,

Califano

,

C.

,

McKenzie

,

P.

и

deSousa

,

M.

(

2000

)

Влияние перегрузки железом при переливании крови на иммунный ответ

.

J. Infect. Дис.

183

:

S115

-

S121

.36.

Gordeuk

,

VR

,

Delanghe

,

JR

,

Langlois

,

MR

и

Boelaert

,

JR

(

2001

)

Результаты по железу и общие сведения

.

J. Clin. Virol.

20

:

111

-

115

.37.

Chandra

,

R. K.

(

1984

)

Чрезмерное потребление цинка снижает иммунный ответ

.

J. Am. Med. Доц.

252

:

1443

-

1446

.38.

Schlesinger

,

L.

,

Arevalo

,

M.

,

Arredondo

,

S.

,

Lonnerdal

,

B.

и

Stekel

,

A.

(

1993

)

Добавки цинка ухудшают функцию моноцитов

.

Acta Paediatr.

82

:

734

-

738

.39.

Wu

,

J.

,

Forbes

,

JR

,

Chen

,

HS

и

Cox

,

DW

(

1994

)

У крысы LEC есть удаление Ген АТФазы, гомологичный гену болезни Вильсона

.

Nat. Genet.

7

:

541

-

544

.40.

Agui

,

T.

,

Oka

,

M.

,

Yamada

,

T.

,

Saki

,

T.

,

Izumi

,

K.

,

, Ishida

Y.

,

Himeno

,

K.

&

Matsumoto

,

K.

(

1990

)

Блокировка мутации от CD4 + 8 + к CD4 + thocytes - thocytes в мутантном штамме (LEC) крысы

.

J. Exp. Med.

172

:

1615

-

1624

.41.

Tang

,

AM

,

Graham

,

NMH

,

Kirby

,

AJ

,

McCall

,

LD

,

Willett

,

WC

и

Sa

и

Sa

1993

)

Потребление микронутриентов с пищей и риск прогрессирования синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД) у гомосексуальных мужчин, инфицированных вирусом иммунодефицита человека типа 1 (ВИЧ-1)

.

г. J. Epidemiol.

138

:

937

-

951

.42.

Tang

,

A. M.

,

Graham

,

N. M.

и

Saah

,

A.J.

(

1996

)

Влияние потребления микронутриентов на выживаемость при инфицировании вирусом иммунодефицита человека 1 типа

.

г. J. Epidemiol.

143

:

1244

-

1256

. 43.

Купка

,

Р.

и

Fawai

,

W.

(

2002

)

Цинковое питание и ВИЧ-инфекция

.

Nutr. Ред.

60

:

69

-

79

. 44.

Siberry

,

G. K.

,

Ruff

,

A. J.

&

Black

,

R.

(

2002

)

Цинк и инфекция, вызванная вирусом иммунодефицита человека

.

Nutr. Res.

22

:

527

-

538

. 45.

Прасад

,

А.S.

,

Beck

,

FWJ

,

Kaplan

,

J.

,

Chandrasekar

,

PH

,

Ortega

,

J.

,

Fitzgerald

0003, 9000dlow

и JT

P.

(

1999

)

Влияние добавок цинка на частоту инфекций и госпитализацию при серповидно-клеточной анемии

.

г. J. Hematol.

61

:

194

-

202

.46. ​​

Bhutta

,

ZA

,

Черный

,

RE

,

Коричневый

,

KH

,

Gardner

,

JM

,

Gore

,

S.

at,

at

at,

.

,

Хатун

,

F.

,

Martorell

,

R.

,

Ninh

,

NX

,

Penny

,

ME

,

Rosado

,

JL

,

,

С.K.

,

Ruel

,

M.

,

Sazawal

,

S.

и

Shankar

,

A.

(

1999

)

Совместная группа исследователей цинка: Профилактика диареи и пневмонии добавки у детей в развивающихся странах: объединенный анализ рандомизированных контролируемых исследований

.

J. Pediatr.

135

:

689

-

697

. 47.

Strand

,

T. A.

,

Chandyo

,

R.K.

,

Bahl

,

R.

,

Sharma

,

PR

,

Adhikari

,

RK

,

Bhandari

,

N.

,

Ulvik

,

RJ

,

K.

,

Bhan

,

MK

и

Simmerfelt

,

H.

(

2002

)

Эффективность и действенность цинка для лечения острой диареи у детей раннего возраста

.

Педиатрия

109

:

898

-

903

.48.

Bhandari

,

N.

,

Bahl

,

R.

,

Taneja

,

S.

,

Strand

,

T.

,

Molbak

,

K. 9000vik,

,

RJ

,

Sommerfelt

,

H.

и

Bhan

,

MK

(

2002

)

Влияние рутинного приема цинка на пневмонию у детей в возрасте от 6 месяцев до 3 лет: рандомизированное контролируемое исследование в городские трущобы

.

BMJ

324

:

1358

-

1362

.49.

Черный

,

R. E.

(

2003

)

Дефицит цинка, инфекционные заболевания и смертность в развивающихся странах

.

J. Nutr.

133

:

1485S

-

1489S

.

Сокращения

  • ВИЧ

    Вирус иммунодефицита человека

  • IL

  • LCK

  • NF

  • PKC

  • 6 TH

    03 916

    © 2003 Американское общество диетологии

    Вариации макро- и микроэлементов при прогрессировании диабета 2 типа

    Макроэлементы - это минералы, в которых организму требуется большее количество, и они более важны, чем любые другие элементы.Микроэлементы составляют мельчайшую часть живых тканей и обладают различными метаболическими характеристиками и функциями. Микроэлементы участвуют в тканевых, клеточных и субклеточных функциях; они включают иммунную регуляцию с помощью гуморальных и клеточных механизмов, нервную проводимость, мышечные сокращения, регуляцию мембранного потенциала, а также активность митохондрий и ферментативные реакции. Уровень питательных микроэлементов, таких как железо и ванадий, выше при диабете 2 типа. Кальций, магний, натрий, хром, кобальт, йод, железо, селен, марганец и цинк кажутся низкими при диабете 2 типа, в то время как такие элементы, как калий и медь, не действуют.В этом обзоре мы подчеркнули статус макро- и микроэлементов при диабете 2 типа и его преимущества или недостатки; это помогает понять механизм, прогрессирование и профилактику диабета 2 типа из-за недостатка и дефицита различных макро- и микроэлементов.

    1. Введение

    Диабет - это хроническое заболевание, которое возникает, когда поджелудочная железа не вырабатывает достаточно инсулина, или когда организм не может эффективно использовать вырабатываемый им инсулин [1]. По оценкам, распространенность диабета в возрастных группах от 20 до 70 лет во всем мире составляет 8 человек.3% в 2013 году и 10,1% в 2035 году. По прогнозам, общее число взрослых с диабетом вырастет с 382 миллионов в 2013 году до 592 миллионов в 2035 году. По оценкам, в 2013 году от последствий гипергликемии умерло 5,1 миллиона человек. Более 80% смертей от диабета происходит в странах с низким и средним уровнем доходов. По данным Международной диабетической федерации (IDF), стоимость лечения диабета в мире в 2010 году составила около 376 миллиардов долларов (11,6 процента от общих расходов на здравоохранение). IDF прогнозирует, что эти расходы увеличатся к 2030 году до 490 миллиардов долларов, что создает значительную нагрузку на системы здравоохранения.Диабет 2 типа можно предотвратить или отсрочить с помощью здорового питания, регулярной физической активности, поддержания нормальной массы тела и отказа от курения [2].

    Этиологические типы нарушений гликемии включают диабет 1 типа (T1D), диабет 2 типа (T2D) и гестационный сахарный диабет (GDM). T1D указывает на процесс разрушения β -клеток, который в конечном итоге может привести к сахарному диабету, при котором «инсулин необходим для выживания», чтобы предотвратить развитие кетоацидоза, комы и смерти.СД2 - наиболее распространенная форма диабета, и люди характеризуются нарушениями действия и секреции инсулина, причем любое из них может быть преобладающим признаком. Гестационный диабет - это непереносимость углеводов, приводящая к гипергликемии различной степени тяжести с началом или первым распознаванием во время беременности [3].

    Микроэлементы - это важные питательные вещества, которые необходимы организму в следовых или крошечных количествах изо дня в день для правильного функционирования. Сюда входят четыре основных класса: макроэлементы, микроэлементы, витамины и органические кислоты.Макроэлементы включают хлорид, кальций, фосфор, магний, натрий, калий и железо. Микроэлементы включают кобальт, бор, хром, медь, серу, йод, фторид, селен, марганец, цинк и молибден (рис. 1).


    Макроэлементы выполняют несколько ролей в теле. Они работают вместе с витаминами и инициируют выработку гормонов, а также ускоряют метаболические процессы. Микроэлементы участвуют в тканевых, клеточных и субклеточных функциях; они включают иммунную регуляцию с помощью гуморальных и клеточных механизмов, нервную проводимость, мышечные сокращения, регуляцию мембранного потенциала, митохондриальную активность и ферментативные реакции.Микроэлементы взаимодействуют с витаминами и макроэлементами, усиливая их действие на организм. Они считаются важными для здоровья человека и обладают разнообразными метаболическими характеристиками и функциями [4].

    Прямые ассоциации макро- и микроэлементов с сахарным диабетом (СД) наблюдались во многих исследованиях [5]. Сообщалось, что действие инсулина на снижение уровня глюкозы в крови усиливается некоторыми микроэлементами, такими как хром, магний, ванадий, цинк, марганец, молибден и селен [6].Предлагаемый механизм действия микроэлементов, усиливающих действие инсулина, включает активацию участков рецепторов инсулина, служащих кофакторами или компонентами ферментных систем, участвующих в метаболизме глюкозы [7], повышающих чувствительность к инсулину и действующих как антиоксиданты, предотвращающие перекисное окисление тканей [8]. Также сообщается, что метаболизм нескольких микроэлементов и макроэлементов изменяет СД2, и эти элементы могут играть определенную роль в патогенезе и развитии этого заболевания. Здесь мы подчеркиваем статус макроэлементов и микроэлементов, которые, как сообщается, участвуют либо в гомеостазе глюкозы, либо их уровни модулируются при СД2.В этой статье также анализируется статус доказательств для выбранных микронутриентов при СД2 (таблица 1), их преимущества, недостатки, механизм действия, прогрессирование или профилактика заболевания и функции при диабете 2 типа (таблица 2).

    967 970 967 970 970 Co16 Низкий

    Микроэлементы Статус у пациентов с сахарным диабетом 2 типа Ссылка

    Кальций 1667 Низкий [19]
    Натрий Низкий [17]
    Калий Нет эффекта [17]
    Хром Низкий [21]
    Медь Нет эффекта [20, 22]
    Йод Низкий [23]
    Железо Высокий [916]
    Селен Низкий [18]
    Марганец Низкий [20]
    Цинк Низкий [25]
    Ванадий Высокий [22]

    1661
    61

    макроэлементы

    Функции при диабете 2 типа

    Натрий и калий Na + / K + - АТФазный насос - это повсеместный фермент, который обеспечивает поддержание трансмембранных градиентов концентраций натрия и калия.Считается, что изменения этой транспортной системы связаны с несколькими осложнениями сахарного диабета [11].

    Кальций Любые изменения потока кальция могут иметь неблагоприятные эффекты на секреторную функцию β-клеток и могут препятствовать нормальному высвобождению инсулина, особенно в ответ на нагрузку глюкозой. Повышенный уровень цитозольного кальция ведет к патогенезу осложнений СД2, которые, в свою очередь, могут мешать нормальному высвобождению инсулина, особенно в ответ на нагрузку глюкозой [26].

    Магний Магний является важным ионом, участвующим на нескольких уровнях в секреции инсулина, его связывании и активности; и это также критический кофактор многих ферментов метаболизма углеводов. Магний играет важную роль в улучшении инсулинорезистентности [19, 27].

    Хром Хром необходим для нормального углеводного обмена и в качестве критического кофактора для действия инсулина и является компонентом фактора толерантности к глюкозе (GTF), который играет роль в гомеостазе глюкозы [28 ].

    Кобальт Снижающий гликемию эффект хлорида кобальта (CoCl 2 ) уменьшал системную продукцию глюкозы, увеличивал поглощение глюкозы тканями или создавал комбинацию двух механизмов. Действие кобальта приводит к увеличению экспрессии переносчика глюкозы 1 (GLUT1) и ингибированию глюконеогенеза [29].

    Медь Дефицит меди приводит к непереносимости глюкозы, снижению инсулинового ответа и усилению глюкозного ответа.Это связано с гиперхолестеринемией и атеросклерозом. Медь обладает инсулиноподобной активностью и способствует липогенезу [20, 22].

    Йод Роль йода коррелирует с гормоном щитовидной железы, и ясно, что резистентность к инсулину и функция клеток обратно коррелируют с тиреотропным гормоном, что может быть объяснено антагонистическим действием тиреоида. гормоны наряду с увеличением тиреотропного гормона (ТТГ) [30].

    Железо Повышенные запасы железа могут вызывать диабет посредством различных механизмов, включая окислительное повреждение клеток поджелудочной железы, нарушение экстракции печеночного инсулина и нарушение способности инсулина подавлять выработку глюкозы в печени. [31, 32].

    Селен Действие селена при диабете противоречиво; Антиоксидантное свойство селена предотвращает развитие осложнений у больных сахарным диабетом.В то время как в других исследованиях более высокие концентрации селена в сыворотке были связаны с более высокой распространенностью диабета [33, 34].

    Марганец Фермент, который активируется марганцем, играет важную роль в метаболизме углеводов, аминокислот и холестерина и необходим для нормального синтеза и секреции инсулина [35].

    Цинк Цинк играет важную роль в метаболизме глюкозы.Это помогает в использовании глюкозы мышечными и жировыми клетками. Он необходим в качестве кофактора для функции внутриклеточных ферментов, которые могут участвовать в метаболизме белков, липидов и глюкозы. Цинк может участвовать в регуляции механизма транссудации сигнала, инициируемого рецепторами инсулина, и в синтезе рецепторов инсулина [36, 37].

    Ванадий Ванадий влияет на различные аспекты метаболизма углеводов, включая транспорт глюкозы, гликолиз, окисление глюкозы и синтез гликогена.Ванадий действует в первую очередь как средство, имитирующее инсулин, хотя также были отмечены повышенная активность инсулина и повышенная чувствительность к инсулину [38–41].

    2. Макроэлементы

    Макроэлементы - это природные элементы, которых организму требуется больше, и они более важны, чем любые другие минералы. Макроминералы включают натрий (Na), калий (K), кальций (Ca) и магний (Mg), которые являются катионами; и два хлора (Cl) и фосфор (P), которые являются сопутствующими анионами.Макроминералы, такие как натрий и калий, являются электролитами, и организм использует электролиты для поддержания кислотно-щелочного баланса и баланса жидкости (гомеостаза), а также для нормальной неврологической, миокардиальной, нервной и мышечной функций. Нейроны и мышцы активируются за счет активности электролитов, возникающих между внеклеточной (или межклеточной жидкостью) и внутриклеточной жидкостью. Макроэлементы, такие как кальций и магний, связаны с нарушением высвобождения инсулина, инсулинорезистентностью и непереносимостью глюкозы у экспериментальных животных и людей.В этом обзоре мы выбрали 4 макроэлемента, а именно натрий, калий, кальций и магний, потому что они наиболее распространены, хорошо изучены и коррелируют с СД2.

    2.1. Натрий и калий

    Электролиты играют важную роль во многих процессах организма, таких как контроль уровня жидкости, кислотно-щелочной баланс (pH), нервная проводимость, свертывание крови и сокращение мышц. Электролитный дисбаланс в результате почечной недостаточности, обезвоживания, лихорадки и рвоты был предложен как один из факторов, способствующих развитию осложнений, наблюдаемых при диабете и других эндокринных нарушениях [9].Натрий, который является преобладающим внеклеточным катионом, обычно в контролируемых физиологических условиях находится в диапазоне 136–145 мэкв / л (136–145 ммоль / л), несмотря на большие различия в потреблении соли и воды. Нормальный диапазон содержания калия в сыворотке очень узок и составляет от 3,5 до 5 ммоль / л [10]. Na + / K + -АТФазный насос - это широко распространенный фермент, который обеспечивает поддержание трансмембранных градиентов концентраций натрия и калия. Считается, что изменения этой транспортной системы связаны с несколькими осложнениями сахарного диабета, гипертонии и нефропатии [11].Гипергликемия создает внутреннюю среду для осмотического диуреза, вызывая разжижающий эффект на концентрацию электролитов. Осмотический эффект глюкозы приводит к уменьшению объема циркулирующей крови и перемещению жидкости из внутриклеточных пространств, вызывая клеточную дегидратацию. Было показано, что инсулин снижает концентрацию внеклеточного калия, вероятно, за счет активации Na + / K + -АТФазы. Синергетическое действие катионного дисбаланса и осмотического эффекта глюкозы может очень хорошо повлиять на течение СД [12, 13].Однако дефицит инсулина или резистентность к действию инсулина может способствовать развитию электролитных нарушений. Учитывая все эти факторы, измененное распределение натрия и калия между внутриклеточными и внеклеточными компартментами может повлиять на течение СД, а также на его лечение [14]. Исследования электролитного дисбаланса в связи с диабетом сообщили об обратной зависимости между уровнями натрия и калия при диабетической коме [15]. Эта ассоциация может быть основана на перемещении электролитов между внутри- и внеклеточным пространством в зависимости от нарушения действия инсулина [16].Сообщалось о значительном снижении уровня натрия в сыворотке крови у пациентов с СД2, особенно среди пациентов, получавших инсулин. Не было обнаружено значимой связи между СД2 и содержанием калия в сыворотке [17].

    2.2. Кальций

    Кальций и циклический АМФ важны для стимуляции высвобождения инсулина. Увеличение концентрации ионизированных цитозольных ионов Са напрямую опосредует действие глюкозы на стимуляцию высвобождения инсулина из крысиного островка Лангерганса. Любые изменения в потоке кальция могут иметь неблагоприятные эффекты на секреторную функцию β -клеток.Таким образом, предполагается, что недостаточное потребление кальция может повлиять на баланс между внеклеточными и внутриклеточными пулами кальция β -клеток. Нормальный уровень кальция в сыворотке составляет от 9 до 10,5 мг / дл (2,2–2,6 ммоль / л) [10]. Кроме того, кальций необходим для опосредованных инсулином внутриклеточных процессов в чувствительных к инсулину тканях, таких как скелетные мышцы и жировая ткань; любое изменение кальция может способствовать периферической резистентности к инсулину за счет нарушения передачи сигнала инсулина, что приводит к снижению активности транспортера глюкозы 4 (GLUT4) [26].Сообщалось о роли повышенного цитозольного кальция в патогенезе осложнений СД2. Это связано с нарушениями регуляции внутриклеточного кальция. Гипергликемия вызывает резкое повышение цитозольного кальция из-за увеличения притока кальция и мобилизации внутриклеточного кальция из запасов кальция. Стимуляция этих кальциевых каналов опосредуется активацией G-белка (белков), что приводит к стимуляции различных клеточных путей. Хроническая гипергликемия также связана со снижением выхода кальция из клеток.Комбинация увеличенного притока кальция и уменьшенного оттока кальция приводит к устойчивому повышению базальных уровней цитозольного кальция [42]. Концентрация кальция у пациентов с СД2 с осложнениями и без них была значительно ниже, чем у здоровых людей из контрольной группы [18].

    2.3. Магний

    Магний - важный ион, участвующий на нескольких уровнях в секреции инсулина, его связывании и активности; и это также критический кофактор многих ферментов метаболизма углеводов [19].Нормальный уровень сывороточного магния колеблется от 1,8 до 3,0 мг / дл (0,8–1,2 ммоль / л) [10]. Магний играет важную роль в улучшении инсулинорезистентности [27]. Рандомизированное контролируемое исследование показало, что пероральный прием магния может улучшить чувствительность к инсулину даже у недиабетиков с нормальным магниевым статусом. Это подчеркивает необходимость скорейшей оптимизации потребления магния для предотвращения инсулинорезистентности, а впоследствии и СД2 [43]. Повышенная частота гипомагниемии среди пациентов с СД2 предположительно многофакторна.Измененный метаболизм инсулина, плохой гликемический контроль и осмотический диурез могут быть сопутствующими факторами [44]. Согласно клиническим и эпидемиологическим исследованиям, гипомагниемия при диабете обычно наблюдается у пациентов с недостаточным метаболическим контролем или связана с хроническими осложнениями СД [19, 45]. Ответственные механизмы дефицита магния у пациентов с диабетом до сих пор не выяснены, в основном это касается влияния на инсулинорезистентность и развитие диабета и его хронических осложнений [46, 47].

    3. Микроэлементы

    Микроэлементы - это диетические минералы, необходимые для правильного роста, развития и физиологии организма. Изменения в статусе микроэлементов могут быть вызваны хронической неконтролируемой гипергликемией. Микроэлементы включают переходные металлы: ванадий (V), хром (Cr), марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Co), медь (Cu), цинк (Zn) и молибден (Mo), так и неметаллы селен. (Se), фтор (F) и йод (I). Все они относятся к категории микроэлементов, которые необходимы человеческому организму в очень малых количествах (обычно менее 100 мг / день) [48].

    3.1. Хром

    Хром необходим для нормального метаболизма углеводов и в качестве критического кофактора для действия инсулина и является компонентом фактора толерантности к глюкозе (GTF), который играет роль в гомеостазе глюкозы [28]. Считалось, что безопасное и адекватное суточное потребление хрома находится в диапазоне 50–200 мг [49]. Нормальная концентрация хрома в сыворотке крови взрослого человека составляет 0,05–0,5 мкг г / л (1–10 мкк моль / л) [50]. Концентрация хрома была значительно снижена в крови пациентов с СД2 по сравнению с контрольными субъектами обоих полов, но было обнаружено, что уровни этих элементов в моче у пациентов с диабетом выше, чем у здоровых людей того же возраста [20].

    3.2. Кобальт

    Гипергликемия связана с чрезмерным образованием свободных радикалов, оксидантным стрессом и снижением антиоксидантного статуса. Нормальные сывороточные значения кобальта менее 0,5 мк г / л [51]. В исследовании на животных эффект снижения гликемии хлорида кобальта (CoCl 2 ) у диабетических крыс уменьшал системную продукцию глюкозы, увеличивал поглощение глюкозы тканями или создавал комбинацию двух механизмов. Действие кобальта приводило к увеличению экспрессии транспортера глюкозы 1 (GLUT1) и ингибированию глюконеогенеза у крыс с диабетом [29].Также сообщается, что кобальт сам по себе или в сочетании с аскорбатом снижает перекисное окисление липидов у диабетических крыс в различных органах, таких как печень, почки, сердце и аорта [52]. По сравнению с пациентами, не страдающими диабетом, концентрация кобальта в сыворотке крови при СД2 снижается [21].

    3.3. Медь

    Медь считается одновременно мощным ферментным катализатором и опасным реагентом, образующим гидроксильный радикал. Нормальный уровень общей меди в организме составляет от 70 до 140 мкл г / дл (11–22 мкл моль / л) [10].Дефицит меди приводит к непереносимости глюкозы, снижению инсулинового ответа и усилению глюкозного ответа. Это связано с гиперхолестеринемией и атеросклерозом. Медь обладает инсулино-подобной активностью и способствует липогенезу. Недавние исследования показывают, что не было обнаружено статистических различий в уровне меди как у диабетиков, так и у здоровых пациентов [20, 22].

    3.4. Йод

    Йод абсолютно необходим для правильной работы щитовидной железы. Дефицит йода - самая частая причина гипотиреоза во всем мире.Дефицит йода вызывает умственную отсталость и кретинизм, и он является самым разрушительным из всех микроэлементов [53]. Гормон щитовидной железы контролирует секрецию инсулина. При гипотиреозе наблюдается снижение индуцированной глюкозой секреции инсулина клетками β , а ответ β клеток на глюкозу или катехоламин увеличивается при гипертиреозе из-за увеличения массы β -клеток. Более того, клиренс инсулина увеличивается при тиреотоксикозе [54]. Инсулинорезистентность и функция β -клеток обратно коррелируют с тиреотропным гормоном (ТТГ), что может быть объяснено антагонистическим действием тиреоидных гормонов инсулином наряду с повышением ТТГ.Более высокий уровень ТТГ в сыворотке обычно соответствует более низкому уровню гормонов щитовидной железы по механизму отрицательной обратной связи. По мере увеличения ТТГ снижается уровень гормонов щитовидной железы и ослабляются антагонистические эффекты инсулина. Эти наблюдения демонстрируют, что дисбаланс инсулина тесно связан с дисфункцией щитовидной железы, и этот феномен опосредуется дисфункцией β -клеток [30]. Сообщалось о значительно более низком уровне йода в моче пациентов с диабетом 2 типа, чем у здоровых контрольных субъектов [23].

    3.5. Железо

    Железо является одновременно важным питательным веществом и потенциально токсичным веществом для клеток. Достаточное количество железа необходимо для функционирования многих биохимических процессов, включая реакции переноса электронов, регуляцию генов, связывание и транспорт кислорода, регуляцию роста и дифференциации клеток, а также участвует в правильном функционировании иммунной системы [55 ]. Нормальный диапазон содержания железа у взрослых составляет 60–170 мкл г / дл [56]. Нарушение метаболизма глюкозы и сахарный диабет - частые клинические проявления перегрузки железом у пациентов с гемохроматозом.В последнее время умеренно повышенные запасы железа ниже уровней, обычно связанных с гемохроматозом, также были вовлечены в этиологию диабета. Ферритин - это повсеместный внутриклеточный белок, который служит маркером запасов железа в тканях. Уровни ферритина в плазме повышены у лиц с распространенным диабетом по сравнению с контрольной группой, не страдающей диабетом [57]. Ферритин также коррелирует с распространенностью метаболического синдрома. В некоторых других исследованиях ферритин коррелирует с показателями инсулинорезистентности, такими как повышенный уровень глюкозы и инсулина [58, 59].Кроме того, два проспективных исследования выявили независимую связь между исходным повышением запасов железа и заболеваемостью диабетом [60, 61]. Повышенные запасы железа могут вызывать диабет через множество механизмов, включая окислительное повреждение клеток поджелудочной железы β , нарушение экстракции печеночного инсулина и нарушение способности инсулина подавлять выработку глюкозы в печени [31, 32]. В исследовании «случай-контроль» сообщалось, что наблюдаемая связь между сывороточным ферритином и риском диабета исчезла после поправки на компоненты метаболического синдрома [62].Но повышенные запасы железа в организме ниже уровней, наблюдаемых при гемохроматозе, связаны с более высоким риском СД2 независимо от установленных факторов риска и ряда биомаркеров диабета. Однако уровни растворимых рецепторов трансферрина не были связаны с СД2, а высокие уровни ферритина связаны с более высоким риском СД2 [24].

    3,6. Селен

    Селен, микроэлемент, участвует в сложной системе защиты от окислительного стресса через селен-зависимые глутатионпероксидазы и другие селенопротеины [63].Нормальная концентрация селена в сыворотке составляет менее 8 мкл г / дл [64]. Благодаря своим антиоксидантным свойствам селен может предотвращать развитие диабета. Кроме того, селенат, неорганическая форма селена, имитирует активность инсулина в экспериментальных моделях [33]. Известно, что селен действует как антиоксидант и поглотитель пероксинитрита при включении в селенопротеины. Это антиоксидантное свойство селена предотвращает развитие осложнений у больных сахарным диабетом [65].В то время как в других исследованиях более высокие концентрации селена в сыворотке крови были связаны с более высокой распространенностью диабета [34], в недавнем исследовании средние концентрации селена у пациентов с СД2 с осложнениями и без них были значительно ниже, чем у здоровых людей из контрольной группы [18].

    3,7. Марганец

    Марганец играет важную роль в ряде физиологических процессов как составная часть некоторых ферментов, таких как пируваткарбоксилаза и аргиназа, и активатор различных ферментов, таких как фосфоенолпируваткарбоксиказа (PEPCK) и глутаминсинтетаза.Эти активированные марганцем ферменты играют важную роль в метаболизме углеводов, аминокислот и холестерина. Марганец способствует метаболизму глюкозы и необходим для нормального синтеза и секреции инсулина [35]. Нормальный диапазон содержания марганца в крови взрослых составляет от 0,59 до 0,75 мкг г / л [50]. Уровень марганца ниже у пациентов с СД2 по сравнению с контрольной группой [66]. В другом исследовании среднее содержание марганца было значительно ниже в образцах крови и волос на коже головы пациентов с диабетом по сравнению с контрольной группой и представителями обоих полов [20].

    3.8. Цинк

    Цинк играет важную роль в метаболизме глюкозы [36]. Это помогает в использовании глюкозы мышечными и жировыми клетками. Он необходим в качестве кофактора для функции внутриклеточных ферментов, которые могут участвовать в метаболизме белков, липидов и глюкозы. Цинк может участвовать в регуляции механизма транссудации сигнала, инициируемого рецепторами инсулина, и в синтезе рецепторов инсулина [37]. Цинк является структурной частью ключевых антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза, и дефицит цинка нарушает их синтез, что приводит к усилению окислительного стресса [67].Цинк имеет двухфазный эффект, поскольку он необходим для хранения инсулина и связывания с клетками, хотя высокие концентрации могут привести к снижению высвобождения инсулина [68].

    Нормальный диапазон содержания цинка в сыворотке / плазме составляет 84–159 мкг г / дл [68]. Антигенные свойства цинка влияют на связывание инсулина с мембранами гепатоцитов, и его дефицит может привести к повышенной инсулинорезистентности и гипергликемии. Повышенный уровень глюкозы, в свою очередь, вызывает гиперцинкурию. Также было замечено, что низкий уровень цинка приводит к плохому или замедленному заживлению ран, что часто встречается у пациентов с диабетом [68].Окислительный стресс играет важную роль в патогенезе диабета и его осложнений. Клинические исследования показали, что уровни цинка в сыворотке крови у пациентов с СД2 обычно ниже по сравнению с пациентами, не страдающими диабетом, из-за нарушения кишечной реабсорбции эндогенного цинка, а увеличение экскреции цинка в кишечник во время процесса пищеварения может привести к такому низкому уровню цинка в сыворотке [ 25]. Добавки цинка у пациентов с СД2 улучшали секрецию инсулина, одновременно подавляя уровни глюкагона и глюкозо-6-фосфатазы [69].В некоторых исследованиях влияние цинка на инсулин в сыворотке не подтверждено [70].

    3.9. Ванадий

    Ванадий влияет на различные аспекты метаболизма углеводов, включая транспорт глюкозы, гликолиз, окисление глюкозы и синтез гликогена [38, 39]. Ванадий существует в нескольких валентных состояниях, при этом формы ванадата (+4) и ванадила (+5) являются наиболее распространенными в биологических системах. На животных моделях было показано, что ванадий способствует усвоению и метаболизму глюкозы, способствует метаболизму липидов и аминокислот, улучшает функцию щитовидной железы, повышает чувствительность к инсулину и отрицательно влияет на развитие костей и зубов в высоких дозах.Ванадий действует в первую очередь как средство, имитирующее инсулин, хотя также были отмечены повышенная активность инсулина и повышенная чувствительность к инсулину. Более поздние исследования показывают, что для его действия может потребоваться инсулин [40, 41].

    Ванадий, по-видимому, влияет на несколько точек сигнального пути инсулина и может приводить к усилению регуляции рецептора инсулина и последующих внутриклеточных сигнальных путей. Предлагаемые эффекты включают аутофосфорилирование рецептора инсулина, повышение активности протеинтирозина и серин-треонинкиназы, ингибирование активности фосфотирозинфосфатазы, повышение активности аденилатциклазы, изменение активности глюкозо-6-фосфатазы, ингибирование глюконеогенеза в печени и усиление синтеза гликогена [40, 41].

    Нормальный диапазон содержания ванадия в крови или сыворотке составляет от 17 до 118 нг / л [71]. Повышенный уровень ванадия также сообщается у диабетиков в исследовании с различными фракциями крови [22]. У пациентов с сахарным диабетом 2 типа ванадий увеличивал чувствительность к инсулину, окисление глюкозы и синтез гликогена были увеличены, а выработка глюкозы в печени подавлялась [72, 73]. Одно из препятствий при использовании ванадия для контроля глюкозы заключается в том, что он вреден для человека. Глутаматпируваттрансаминаза - это фермент, используемый для мониторинга функции печени, и если уровни этого фермента в плазме повышены, это указывает на повреждение клеток печени [74].

    4. Заключение

    Микро- / макронутриенты играют важную роль в метаболизме глюкозы, поэтому понимание влияния дефицита микронутриентов и потенциальной полезности добавок имеет важное значение для профилактики и / или лечения сахарного диабета 2 типа. Макроэлементы - это природные элементы, в которых организму требуется больше, и они более важны, чем любые другие минералы. Микроэлементы необходимы в минимальных количествах для поддержания здоровья тела. Они необходимы в основном как компоненты ферментов и гормонов или участвуют в активации ферментов.Электролитный дисбаланс при диабете в первую очередь является результатом повышенного уровня глюкозы в крови. При гипергликемии организм пытается избавиться от избытка глюкозы в крови за счет увеличения диуреза. Учащенное мочеиспускание вызывает потерю воды и электролитов, что затем нарушает баланс электролитов в организме. Особенно нарушается баланс между натрием и калием. Согласно клиническим и эпидемиологическим исследованиям, гипомагниемия при диабете обычно наблюдается у пациентов с недостаточным метаболическим контролем или связана с хроническими осложнениями СД.Ответственные механизмы дефицита Mg у пациентов с диабетом до сих пор не выяснены, в основном это касается влияния на инсулинорезистентность и развитие диабета и его хронических осложнений. Любые изменения в потоке кальция могут иметь неблагоприятные эффекты на секреторную функцию β -клеток. Повышенный уровень цитозольного кальция приводит к патогенезу осложнений СД2. Хром необходим для нормального метаболизма углеводов и играет роль в гомеостазе глюкозы.Эффект кобальта при диабете вызывает снижение системной выработки глюкозы и увеличение поглощения глюкозы тканями. Дефицит меди приводит к непереносимости глюкозы, снижению инсулинового ответа и усилению глюкозного ответа. Медь обладает инсулино-подобной активностью и способствует липогенезу. Роль йода коррелирует с гормоном щитовидной железы, и ясно, что резистентность к инсулину и функция β -клеток обратно коррелируют с тиреотропным гормоном, что может быть объяснено антагонистическим действием тиреоидных гормонов с инсулином и повышением уровня тиреотропного гормона. (ТТГ).Повышенные запасы железа могут вызывать диабет через множество механизмов, включая окислительное повреждение клеток поджелудочной железы β , нарушение экстракции печеночного инсулина и нарушение способности инсулина подавлять выработку глюкозы в печени. Эффект селена при диабете имеет противоречивые эффекты; Антиоксидантное свойство селена предотвращает развитие осложнений у больных сахарным диабетом. В то время как в других исследованиях более высокие концентрации селена в сыворотке были связаны с более высокой распространенностью диабета.Ферменты, активируемые марганцем, играют важную роль в метаболизме углеводов, аминокислот и холестерина и необходимы для нормального синтеза и секреции инсулина. Многие осложнения диабета могут быть связаны с увеличением внутриклеточного оксиданта и свободных радикалов, связанных с уменьшением внутриклеточного цинка и цинк-зависимых антиоксидантных ферментов. Было показано, что соль ванадия вызывает механизм снижения гипергликемии и улучшения действия инсулина за счет увеличения активности переносчиков глюкозы через субстраты рецептора инсулина 1 и 2 (IRS1 / 2) и фосфатидилинозитол-3-киназу (PI 3-киназу).Управление питанием направлено на улучшение качества здоровья, поддержание нормального уровня глюкозы в крови с целью снижения риска осложнений диабета. Хорошо сбалансированная диета будет поддерживать дефицит основных макро- и микронутриентов у пациентов с диабетом. В этой статье представлены рекомендации по микронутриентам для лечения СД2 и предотвращения его осложнений.

    Аббревиатуры
    DM
    IDF: Международная федерация диабета
    T1D: Сахарный диабет 1 типа
    T2D: Сахарный диабет 2 типа
    Gusit Gus DM: Сахарный диабет
    GLUT 4: Транспортер глюкозы 4
    GTF: Фактор толерантности к глюкозе
    GTUT1: GTUT1: Gluosis Стимулирующий гормон
    PEPCK: Фосфоенолпируваткарбоксикиназа
    IRS1 / 2: Субстраты рецептора инсулина 1 и 2
    PI 3-киназа -1662 киназа.
    Конфликт интересов

    О потенциальном конфликте интересов, относящемся к данной статье, не сообщалось. Благодарности для редактирования статьи и оформления ссылки.

    Почему микроэлементы важны для здоровья

    Что такое микроэлементы и где их найти?

    Микроэлементы, также называемые микроминералами, являются важными минералами, которые человеческий организм должен получать с пищей, но, в отличие от макроэлементов, нам нужно очень небольшое количество.Несмотря на то, что микроэлементы необходимы в крошечных дозах, они по-прежнему имеют решающее значение для нашего здоровья и развития. Рекомендуемая суточная доза для большинства микроэлементов составляет от 0,2 до 15 миллиграммов. Найдите ниже список микроэлементов, их функции и распространенные продукты, которые их содержат.

    Минералы:

    • Хром помогает инсулину регулировать уровень глюкозы (сахара в крови) и содержится в печени, цельнозерновых, орехах и сырах.
    • Медь способствует образованию костей и хрящей и помогает организму правильно использовать железо.Медь содержится в говядине, мясных субпродуктах, фруктах, овощах, орехах и бобах.
    • Фторид способствует формированию костей и зубов и помогает предотвратить разрушение зубов. Его можно найти в рыбе, некоторых чаях и воде, которая либо естественным образом фторирована, либо содержит фторид. Важно не превышать рекомендуемую суточную норму фтора.
    • Железо имеет решающее значение для производства крови и имеет решающее значение при беременности и в раннем детстве. Железо содержится в мясе, птице, обогащенном хлебе и крупах, цельнозерновых продуктах, орехах и бобах.
    • Марганец - это фермент, который содержится во многих продуктах питания, особенно в растениях.
    • Йод молибдена содержится в гормонах, которые помогают регулировать обмен веществ, рост и развитие, и его можно найти в продуктах, выращенных на почве, богатой йодом. В настоящее время большинство людей получают йод из йодированной соли, поскольку дефицит йода является ведущей мировой причиной нарушения когнитивного развития у детей (1).
    • Селен - это антиоксидант, содержащийся в зернах, мясе и морепродуктах.Антиоксиданты - это молекулы, которые помогают защитить клетки от повреждения.
    • Цинк содержится во многих ферментах человеческого тела, которые помогают производить белок и генетический материал. Цинк также играет роль в развитии плода, заживлении ран, иммунной системе и развитии подростков. Его можно употреблять с мясом, рыбой, птицей, овощами и некоторыми зерновыми.

    Наслаждайтесь этими статьями по теме:
    Диета и поведение: 3 изменения, которые нужно сделать сегодня
    Советы для безглютенового образа жизни
    Витамин B12 поддерживает работу мозга

    (1) Источник: ВОЗ.int, Дефицит микронутриентов

    Визуализация распределения микроэлементов в отдельных органеллах и субклеточных элементах

  • Lee, SM, Chen, H., Dettmer, CM, O'Halloran, TV & Nguyen, ST Липсомы с полимерными клетками: pH-чувствительные система доставки с высокой стабильностью. Журнал Американского химического общества 129, 15096–15097 (2007).

    CAS Google ученый

  • Дэвис, А. В. и О’Халлоран, Т.V. Место химии тиоэфиров в распознавании и перемещении ионов меди в клетке. Nat Chem Biol 4, 148–151 (2008).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Ким Б. Э., Невитт Т. и Тиле Д. Дж. Механизмы приобретения, распределения и регулирования меди. Nat Chem Biol 4, 176–185 (2008).

    CAS Google ученый

  • Эль Муайед, М.и другие. Острая цитокин-опосредованная регуляция транспортера цинка ZnT8 изменяет функцию бета-клеток поджелудочной железы. Журнал эндокринологии 206, 159–169 (2010).

    CAS Google ученый

  • Ким, А. М., Фогт, С., О’Халлоран, Т. В. и Вудрафф, Т. К. Доступность цинка регулирует выход из мейоза в созревающих ооцитах млекопитающих. Nat Chem Biol 6, 674–681 (2010).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Бернхардт, М.Л., Конг, Б. Ю., Ким, А. М., О’Халлоран, Т. В. и Вудрафф, Т. К. Цинк-зависимый механизм регулирует мейотическую прогрессию в ооцитах млекопитающих. Биология размножения 86, 114 (2012).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Конг, Б. Ю., Бернхард, М. Л., Ким, А. М., О’Халлоран, Т. В. и Вудрафф, Т. К. Цинк поддерживает задержку профазы I в ооцитах мышей посредством регуляции пути MOS-MAPK. Биология размножения 87, 11, 11–12 (2012).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Thiers, R.E. & Vallee, B.L. Распределение металлов в субклеточных фракциях печени крыс. Journal of Biological Chemistry 226, 911–920 (1957).

    CAS Google ученый

  • Oyoo-Okoth, E. et al. Паразиты изменяют субклеточное разделение металлов в кишечнике рыб. Aquat Toxicol 106–107, 76–84 (2012).

    Google ученый

  • Chen, K. G. et al. Меланосомная секвестрация цитотоксических препаратов способствует неизлечимости злокачественных меланом. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103, 9903–9907 (2006).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed PubMed Central Google ученый

  • Макрей, Р., Лай, Б. и Фарни, К. Дж.Субклеточное перераспределение и митотическое наследование переходных металлов в пролиферирующих клетках фибробластов мыши. Металломика: интегрированная наука о биометаллах 5, 52–61 (2013).

    CAS Google ученый

  • Бозим, Р. А., Томпсон, Р. Б., Стоддард, А. К. и Фиерке, К. А. Измерение пикомолярного внутриклеточного обменного цинка в клетках PC-12 с использованием логометрического флуоресцентного биосенсора. ACS Chem Biol 1, 103–111 (2006).

    CAS Google ученый

  • Джейкоб, К., Марет В. и Валле Б. Л. Контроль переноса цинка между тионеином, металлотионеином и белками цинка. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95, 3489–3494 (1998).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed PubMed Central Google ученый

  • Laychock, S.G., Duzen, J. & Simpkins, C.O. Индукция металлотионеина в островках Лангерганса и клетках инсулиномы. Mol Cell Endocrinol 165, 179–187 (2000).

    CAS Google ученый

  • Li, X., Chen, H. & Epstein, P. N. Металлотионеин защищает островки от гипоксии и увеличивает выживаемость трансплантата островков, поглощая большинство видов реактивных форм кислорода. Журнал биологической химии 279, 765–771 (2004).

    CAS Google ученый

  • Геркин-Керн, Дж. Л., Ву, Т. Д., Кинтана, К. и Круази, А. Прогресс в аналитической визуализации клетки с помощью динамической вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС-микроскопия).Biochimica et biophysica acta 1724, 228–238 (2005).

    CAS Google ученый

  • Steinhauser, M. L. & Lechene, C.P. Количественная визуализация субклеточного метаболизма с помощью стабильных изотопов и мультиизотопная масс-спектрометрия. Семинары по клеточной биологии и биологии развития 24, 661–667 (2013).

    CAS Google ученый

  • Twining, B. S. et al. Количественная оценка микроэлементов в отдельных водных клетках протистов с помощью синхротронного рентгеновского флуоресцентного микрозонда.Аналитическая химия 75, 3806–3816 (2003).

    CAS Google ученый

  • Kemner, K. M. et al. Элементный и окислительно-восстановительный анализ отдельных бактериальных клеток с помощью рентгеновского микропучкового анализа. Science 306, 686–687 (2004).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed Google ученый

  • Ян Л. и др. Визуализация внутриклеточной топографии меди с помощью флуоресцентного сенсора и синхротронной рентгеновской флуоресцентной микроскопии.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102, 11179–11184 (2005).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed PubMed Central Google ученый

  • Finney, L. et al. Рентгеновская флуоресцентная микроскопия выявляет крупномасштабную релокализацию и внеклеточную транслокацию клеточной меди во время ангиогенеза. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 104, 2247–2252 (2007).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed PubMed Central Google ученый

  • Chen, K. G. et al. Влияние динамики меланосом на лекарственную чувствительность меланомы. Журнал Национального института рака 101, 1259–1271 (2009).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Холт, М., Хардер, Р., Винарски, Р. и Роуз, В. Методы жесткой рентгеновской микроскопии в наномасштабе для исследования материалов.Ежегодный обзор исследований материалов 43, 183–211 (2013).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  • Ортега, Р., Клоутенс, П., Девес, Г., Кармона, А. и Бохик, С. Хранение железа в нейровезикулах дофамина, выявленное с помощью химической нано-визуализации. PloS one 2, e925 (2007).

    ADS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Matsuyama, S. et al. Картирование микроэлементов отдельной клетки с использованием жесткого рентгеновского нанопучка, сфокусированного системой зеркал Киркпатрика-Баэза.Рентгеновская спектрометрия 38, 89–94 (2009).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  • Deng, J. et al. Одновременная крио-рентгеноптихографическая и флуоресцентная микроскопия зеленых водорослей. Труды Национальной академии наук 112, 2314–2319 (2015).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  • Горняк Т. и др. Поддержка и проблемы модели меланосомной оболочки, основанной на наноразмерном распределении металлов в меланосомах радужки, обнаруженном с помощью рентгенофлуоресцентного анализа.Исследование пигментных клеток и меланомы 27, 831–834 (2014).

    CAS Google ученый

  • Миядзаки, Ж.-И. и другие. Создание линии β-клеток поджелудочной железы, которая сохраняет индуцируемую глюкозой секрецию инсулина: специальная ссылка на экспрессию изоформ переносчиков глюкозы. Эндокринология 127, 126–132 (1990).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Гилки, Дж.C. & Staehelin, L.A. Достижения в области сверхбыстрого замораживания для сохранения клеточной ультраструктуры. Journal of Electron Microscopy Technique 3, 177–210 (1986).

    Google ученый

  • Quintana, C. Криофиксация, криозамещение, криогенная заливка для ультраструктурных, иммуноцитохимических и микроаналитических исследований. Микрон 25, 63–99 (1994).

    CAS Google ученый

  • Нагата, Т.Рентгеновский микроанализ биологических образцов методом высоковольтной электронной микроскопии. Прогресс в гистохимии и цитохимии 39, 185–319 (2004).

    CAS Google ученый

  • Cai, Z. et al. Сканирующий микрозонд с жестким рентгеновским излучением для флуоресцентной визуализации и микродифракции на передовом источнике фотонов. Материалы конференции AIP 507, 472–477 (2000).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  • Винарски, Р.P. et al. Линия пучка жесткого рентгеновского нанозонда для наноразмерной микроскопии. Журнал Synchrotron Radiat 19, 1056–1060 (2012).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Ян, Х. и др. Двумерная жесткая нанофокусировка рентгеновского излучения с помощью скрещенных многослойных линз Лауэ. Опт. Express 19, 15069–15076 (2011).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  • Ширато Н. и др.Элементный дактилоскопический анализ материалов с предельной атомарной чувствительностью. Нано-письма 14, 6499–6504 (2014).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  • Эль Муайед, М. и др. Накопление кадмия в бета-клетках, продуцирующих инсулин. Островки 4. С. 405–416 (2012).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Corezzi, S. et al. Рентгенофлуоресцентное изображение человеческих клеток, меченных квантовыми точками CdSe, на основе синхротрона.Аналитическая биохимия 388, 33–39 (2009).

    CAS Google ученый

  • Джеймс С.А. и др. Количественная оценка поглощения, распределения и растворения наночастиц ZnO в индивидуальных макрофагах человека. АСУ Нано 7. 2013. С. 10621–10635.

    CAS Google ученый

  • Sheridan, E.J. et al. Синхротронные рентгеновские флуоресцентные исследования меченного бромом циклического пептида RGD, взаимодействующего с отдельными опухолевыми клетками.Journal of Synchrotron Radiation 20, 226–233 (2013).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Grubman, A. et al. Рентгеновская флуоресцентная визуализация выявляет нарушения внутриклеточного биометалла при детском нейродегенеративном заболевании. Chem Sci 5, 2503–2516 (2014).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Леонардо Т. и др.Определение распределения элементов в зеленых микроводорослях с использованием синхротронного излучения, нано-рентгеновской флуоресценции (SR-nXRF) и методов электронной микроскопии - субклеточная локализация и количественная визуализация поглощения серебра и кобальта Coccomyxa actinabiotis. Металломика: интегрированная наука о биометаллах 6, 316–329 (2014).

    CAS Google ученый

  • Хуанг, X. Ф. и Арван, П. Формирование ядра инсулинсодержащих секреторных гранул происходит внутри незрелых бета-гранул.Журнал биологической химии 269, 20838–20844 (1994).

    CAS Google ученый

  • Хуанг, X. Ф. и Арван, П. Внутриклеточный транспорт проинсулина в бета-клетках поджелудочной железы. Структурное созревание определяется доступностью дисульфидов. Журнал биологической химии 270, 20417–20423 (1995).

    CAS Google ученый

  • Кимиенти, Ф., Фавье, А.& Seve, M. ZnT-8, транспортер цинка, специфичный для бета-клеток поджелудочной железы. Biometals: международный журнал о роли ионов металлов в биологии, биохимии и медицине 18, 313–317 (2005).

    CAS Google ученый

  • Pound, L. D. et al. Делеция мышиного гена Slc30a8, кодирующего транспортер цинка-8, приводит к нарушению секреции инсулина. Биохимический журнал 421, 371–376 (2009).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • О’Халлоран, Т.В., Кебеде, М., Филипс, С. Дж. И Этти, А. Д. Цинк, инсулин и печень: важная информация. Журнал клинических исследований 123, 4136–4139 (2013).

    PubMed PubMed Central Google ученый

  • Хубер А. М. и Гершофф С. Н. Влияние дефицита цинка у крыс на высвобождение инсулина из поджелудочной железы. J Nutr 103, 1739–1744 (1973).

    CAS Google ученый

  • Цзян, Л.J., Maret, W. и Vallee, B.L. Редокс-пара глутатиона модулирует перенос цинка от металлотионеина к обедненной цинком сорбитолдегидрогеназе. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95, 3483–3488 (1998).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed PubMed Central Google ученый

  • Habeebu, S. S., Liu, J., Liu, Y. & Klaassen, C. D. Мыши, не содержащие металлотионеин, более чувствительны, чем мыши дикого типа, к повреждению печени, вызванному многократным воздействием кадмия.Toxicol Sci 55, 223–232 (2000).

    CAS Google ученый

  • Jiang, L.J., Vasak, M., Vallee, B.L. и Maret, W. На потенциалы переноса цинка альфа- и бета-кластеров металлотионеина влияют доменные взаимодействия во всей молекуле. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 97, 2503–2508 (2000).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed PubMed Central Google ученый

  • Ким, Б.J. et al. Цинк как паракринный эффектор в гибели островковых клеток поджелудочной железы. Диабет 49, 367–372 (2000).

    CAS Google ученый

  • Lichtlen, P. et al. Поиск целевого гена для металл-чувствительного фактора транскрипции MTF-1. Nucleic Acids Res 29, 1514–1523 (2001).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Hasumi, M. et al. Регулирование экспрессии металлотионеина и транспортера цинка в клетках и тканях рака простаты человека.Раковые письма 200, 187–195 (2003).

    CAS Google ученый

  • Huang, L., Kirschke, C.P., Zhang, Y. & Yu, Y. Y. Ген ZIP7 (Slc39a7) кодирует транспортер цинка, участвующий в гомеостазе цинка в аппарате Гольджи. Журнал биологической химии 280, 15456–15463 (2005).

    CAS Google ученый

  • He, L. et al. ZIP8, член семейства переносчиков металлов-переносчиков растворенных веществ-39 (SLC39): характеристика свойств переносчиков.Mol Pharmacol 70, 171–180 (2006).

    CAS Google ученый

  • Hogstrand, C., Zheng, D., Feeney, G., Cunningham, P. & Kille, P. Контролируемая цинком экспрессия гена с помощью металл-регулирующего фактора транскрипции 1 (MTF1) у модельного позвоночного животного, рыбок данио . Biochem Soc Trans 36, 1252–1257 (2008).

    CAS Google ученый

  • Ли, Ю., Кимура, Т., Хайк, Р. В., Laity, J. H. & Andrews, G.K. Индуцированное цинком образование коактиваторного комплекса, содержащего чувствительный к цинку фактор транскрипции MTF-1, p300 / CBP и Sp1. Молекулярная и клеточная биология 28, 4275–4284 (2008).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Mocchegiani, E., Giacconi, R. & Malavolta, M. Передача сигналов цинка и субклеточное распределение: новые цели при диабете 2 типа. Trends Mol Med 14, 419–428 (2008).

    CAS Google ученый

  • Lichten, L. A., Ryu, M. S., Guo, L., Embury, J. & Cousins, R. J. MTF-1-опосредованная репрессия транспортера цинка Zip10 облегчается ограничением цинка. PloS one 6, e21526 (2011).

    CAS ОБЪЯВЛЕНИЯ PubMed PubMed Central Google ученый

  • Saxena, R. et al. Полногеномный ассоциативный анализ определяет локусы диабета 2 типа и уровни триглицеридов.Science 316, 1331–1336 (2007).

    CAS Google ученый

  • Boesgaard, T. W. et al. Распространенный вариант SLC30A8 Arg325Trp связан со сниженным высвобождением инсулина в первой фазе у 846 недиабетических потомков пациентов с диабетом 2 типа - исследование EUGENE2. Диабетология 51, 816–820 (2008).

    CAS Google ученый

  • Омори С. и др. Связь CDKAL1, IGF2BP2, CDKN2A / B, HHEX, SLC30A8 и KCNJ11 с предрасположенностью к диабету 2 типа в популяции Японии.Диабет 57, 791–795 (2008).

    CAS Google ученый

  • Wu, Y. et al. Общие варианты генов CDKAL1, CDKN2A / B, IGF2BP2, SLC30A8 и HHEX / IDE связаны с диабетом 2 типа и нарушением уровня глюкозы натощак в китайской ханьской популяции. Diabetes 57, 2834–2842 (2008).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Xiang, J. et al. Ген транспортера цинка-8 (SLC30A8) у китайцев связан с диабетом 2 типа.J Clin Endocrinol Metab 93, 4107–4112 (2008).

    CAS Google ученый

  • Majithia, A. R. et al. Связь миссенс-полиморфизма R325W SLC30A8 с уровнями проинсулина на исходном уровне и после изменения образа жизни, вмешательства метформина или троглитазона в программу профилактики диабета. Диабетология, 54, 2570–2574 (2011).

    CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Шань, З.и другие. Взаимодействие между геном транспортера цинка-8 (SLC30A8) и концентрацией цинка в плазме для нарушения регуляции глюкозы и диабета 2 типа. Диабет (2013).

  • Fu, Y. et al. Подавление экспрессии ZnT8 в бета-клетках поджелудочной железы крыс INS-1 снижает содержание инсулина и индуцируемую глюкозой секрецию инсулина. PloS one 4, e5679 (2009).

    ADS PubMed PubMed Central Google ученый

  • Wijesekara, N.и другие. Специфичная для бета-клеток делеция Znt8 у мышей вызывает заметные дефекты процессинга, кристаллизации и секреции инсулина. Диабетология (2010).

  • Ibáñez, A. J. et al. Метаболомика одиночных дрожжевых клеток на основе масс-спектрометрии. Proceedings of the National Academy of Sciences 110, 8790–8794 (2013).

    ADS Google ученый

  • Зеноби Р. Одноклеточная метаболомика: аналитические и биологические перспективы.Наука 342, 1243259 (2013).

    CAS PubMed Google ученый

  • Vogt, S. MAPS: Набор программных инструментов для анализа и визуализации наборов данных трехмерной рентгеновской флуоресценции. J. Phys. IV France 104, 635–638 (2003).

    CAS Google ученый

  • 7,5 Микроэлементы в биологических системах

    1. Последнее обновление
    2. Сохранить как PDF
    1. Макроминералы
    2. Реакции группового переноса
    3. Реакции биологического окисления и восстановления
    4. Структурные компоненты
      1. Пример 9
      2. Сводка
      3. Ключевой вывод
      4. Концептуальные задачи
      9162 Описание

    9162 Концептуальные задачи для этого модуля некоторые роли микроэлементов в биологических системах.

    Из более чем 100 известных элементов приблизительно 28 известны как , необходимые для роста по крайней мере одного биологического вида, и только 19 необходимы для человека. Что делает некоторые элементы необходимыми для организма, а остальные - несущественными? Есть как минимум две причины:

    1. Элемент должен обладать некоторыми уникальными химическими свойствами, которые организм может использовать в своих интересах и без которых он не может выжить.
    2. Достаточное количество элемента должно быть доступно в окружающей среде в легкодоступной форме.

    Как вы можете видеть в таблице 7.6, многие элементы, которых много в земной коре, тем не менее, не находятся в легкодоступной форме (например, в виде ионов, растворенных в морской воде). Вместо этого они склонны к образованию нерастворимых оксидов, гидроксидов или карбонатных солей. Хотя кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре, SiO 2 и многие силикатные минералы нерастворимы, поэтому они не легко усваиваются живыми тканями. Это также относится к железу и алюминию, которые образуют нерастворимые гидроксиды.Поэтому многие организмы разработали сложные стратегии получения железа из окружающей среды. Напротив, молибден и йод, хотя и не особенно распространены, хорошо растворимы - молибден в виде молибдата (MoO 4 2-) и йод в виде йодида (I - ) и йодата (IO 3 - ). - и поэтому в морской воде их больше, чем в железе. Неудивительно, что и молибден, и йод используются многими организмами.

    Таблица 7.6 Относительное содержание некоторых основных элементов в земной коре и океанах

    Элемент * Кора (ppm; среднее) Морская вода (мг / л = ppm)
    * Элементы жирным шрифтом * как известно, необходимы людям.
    O 461,000 857,000
    Si 282,000 2,2
    Al 1662
    Ca 41,500 412
    Na 23,600 10,800
    9166 399
    H 1400 108,000
    P 1050 0.06
    Mn 950 0,0002
    F 585 1,3
    S 16250 967 967 967 28
    Cl 145 19,400
    V 120 0,0025
    Cr 102 0.0003
    Ni 84 0,00056
    Zn 70 0,0049
    Cu 16 0,00002
    Li 20 0,18
    N 19 0,5
    Br 2.4 67,3
    Mo 1,2 0,01
    I 0,45 0,06
    1662 9162 9162 967 967 967 967 967 967 967 967 967 967 967 967 Данные из CRC Handbook of Chemistry and Physics (2004).

    К счастью, многие элементы, необходимые для жизни, необходимы только в небольших количествах. (В таблице 1.6 перечислены микроэлементы в организме человека.) Даже в этом случае элементы, которые присутствуют в следовых количествах, могут оказывать большое влияние на здоровье организма. Такие элементы функционируют как часть механизма амплификации, в котором молекула, содержащая микроэлемент, является важной частью более крупной молекулы, которая, в свою очередь, регулирует концентрации других молекул и так далее. Механизм амплификации позволяет небольшим вариациям концентрации микроэлемента иметь большие биохимические эффекты.

    Основные микроэлементы у млекопитающих могут выполнять четыре основные роли: (1) они могут вести себя как макроминералы, (2) они могут участвовать в катализе реакций передачи группы, (3) они могут участвовать в реакциях окисления-восстановления или (4) они могут служить структурными элементами.

  • Макроминералы

    Макроминералы - Na, Mg, K, Ca, Cl и P - обнаруживаются в больших количествах в биологических тканях и присутствуют в виде неорганических соединений, растворенных или осажденных. Все образуют одноатомные ионы (Na + , Mg 2+ , K + , Ca 2+ , Cl -), за исключением фосфора, который присутствует в виде фосфат-иона (PO 4 3). - ). Напомним, что соли кальция используются многими организмами в качестве структурных материалов, например, в костях [гидроксиапатит, Ca 5 (PO 4 ) 3 OH]; соли кальция также содержатся в морской и яичной скорлупе (CaCO 3 ), и они служат хранилищем Ca 2+ в растениях (оксалат кальция).

    Жидкости организма всех многоклеточных организмов содержат относительно высокие концентрации этих ионов. Некоторые ионы (Na + , Ca 2+ и Cl -) расположены в основном во внеклеточных жидкостях , таких как плазма крови, тогда как K + , Mg 2+ и фосфат расположены в основном в в внутриклеточных жидкостях. Для избирательного переноса этих ионов через клеточные мембраны требуется значительное количество энергии. Селективность этих ионных насосов основана на различиях в ионном радиусе (Раздел 7.2) и ионный заряд.

    Поддержание оптимальных уровней макроминералов важно, потому что временные изменения их концентрации в клетке влияют на биологические функции. Например, для передачи нервного импульса требуется внезапное обратимое увеличение количества Na + , который поступает в нервную клетку. Точно так же, когда гормоны связываются с клеткой, они могут заставить ионы Ca 2+ проникать в эту клетку. В сложной серии реакций ионы Ca 2+ запускают такие события, как сокращение мышц, высвобождение нейротрансмиттеров или секреция гормонов.Когда люди, которые интенсивно тренируются в течение длительных периодов времени, чрезмерно увлажняют воду, низкий уровень соли в крови может привести к состоянию, известному как гипонатриемия , которое вызывает тошноту, усталость, слабость, судороги и даже смерть. По этой причине спортсмены должны пить спортивные напитки, содержащие соли, а не только воду.

  • Реакции группового переноса

    Ионы следов металлов также играют решающую роль во многих биологических реакциях переноса группы. В этих реакциях узнаваемая функциональная группа, такая как фосфорильная единица (-PO 3 -), передается от одной молекулы к другой.В этом примере

    Уравнение 7.18

    ROPO2−3 + h3O → ROH + HOPO2−3

    единица переносится из алкоксида (RO -) в гидроксид (OH -). Чтобы нейтрализовать отрицательный заряд молекулы, которая подвергается реакции, многие биологические реакции этого типа требуют присутствия ионов металлов, таких как Zn 2+ , Mn 2+ , Ca 2+ или Mg . 2+ и иногда Ni 2+ или Fe 3+ . Эффективность иона металла во многом зависит от его заряда и радиуса.

    Цинк - важный компонент ферментов, катализирующих гидролиз белков, добавление воды к CO 2 с образованием HCO 3 - и H + , а также большинство реакций, участвующих в ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) синтез, ремонт и репликация. Следовательно, дефицит цинка имеет серьезные побочные эффекты, включая аномальный рост и половое развитие, а также потерю вкусовых ощущений.

  • Биологические реакции окисления-восстановления

    Третья важная роль микроэлементов - перенос электронов в биологических реакциях окисления-восстановления.Железо и медь, например, содержатся в белках и ферментах, которые участвуют в транспорте O 2 , восстановлении O 2 , окислении органических молекул и превращении атмосферного N 2 в NH 3 . Эти металлы обычно переносят один электрон на каждый ион металла, чередуя состояния окисления, такие как 3 + / 2 + (Fe) или 2 + / 1 + (Cu).

    Поскольку большинство переходных металлов имеют несколько степеней окисления, разделенных только одним электроном, они уникально подходят для переноса нескольких электронов по одному.Примеры включают молибден (+ 6 / + 5 / + 4), который широко используется в двухэлектронных реакциях окисления-восстановления, и кобальт (+ 3 / + 2 / + 1), который содержится в витамине B 12 . Напротив, многие из элементов блока p хорошо подходят для передачи двух электронов одновременно. Селен (+ 4 / + 2), например, содержится в ферменте, который катализирует окисление глутатиона (GSH) до его дисульфидной формы (GSSG):

    \ [2 GSH + H_ 2 O_ 2 \ rightarrow 2 H_ 2 O + GSSG \]

  • Структурные компоненты

    Микроэлементы также действуют как важные структурные компоненты биологических тканей или молекул.Во многих системах, где микроэлементы не изменяют степень окисления или иным образом не участвуют непосредственно в биохимических реакциях, часто предполагается, хотя часто без прямых доказательств, что элемент стабилизирует конкретную трехмерную структуру биомолекулы, в которой он находится. Одним из примеров является сахар-связывающий белок, содержащий Mn 2+ и Ca 2+ , который является частью системы биологической защиты некоторых растений. Другие примеры включают ферменты, которым требуется Zn 2+ в одном сайте, чтобы активность проявлялась в другом сайте молекулы.Некоторые неметаллические элементы, такие как F - , также играют структурную роль. Фторид, например, вытесняет гидроксид-ион из гидроксиапатита в кости и зубах с образованием фторапатита [Ca 5 (PO 4 ) 3 F]. Фторапатит менее растворим в кислоте и обеспечивает повышенную устойчивость к разрушению зубов.

    Фторапатит (\ (Ca_5 (PO_4) _3F \)) менее растворим, чем гидроксиапатит (\ (Ca_5 (PO_4) _3 (OH) \))

    Другим примером неметалла, который играет структурную роль, является йод, который у человека содержится только в одной молекуле, гормоне щитовидной железы тироксин .Когда диета человека не содержит достаточного количества йода, щитовидные железы на его шее сильно увеличиваются, что приводит к состоянию, называемому зобом . Поскольку йод содержится в основном в океанической рыбе и водорослях, у многих первых поселенцев Среднего Запада Америки развился зоб из-за отсутствия морепродуктов в их рационе. Сегодня большая часть поваренной соли содержит небольшое количество йода [на самом деле йодид калия (KI)], чтобы предотвратить эту проблему.

    Человек с зобом. В США «йодированная соль» предотвращает появление зоба.

    Пример 9

    Есть некоторые свидетельства того, что олово является важным элементом у млекопитающих. Основываясь исключительно на том, что вы знаете о химии олова и его положении в периодической таблице, предскажите вероятную биологическую функцию олова.

    Дано: элемент и данные в таблице 1.6

    Запрошено: вероятная биологическая функция

    Стратегия:

    Из положения олова в периодической таблице, его общих степеней окисления и данных в таблице 1.6, спрогнозируйте вероятную биологическую функцию элемента.

    Решение:

    Из его положения в нижней части группы 14 мы знаем, что олово - это металлический элемент, наиболее распространенные степени окисления которого - +4 и +2. Учитывая низкие уровни олова у млекопитающих (140 мг / 70 кг человека), олово вряд ли будет функционировать как макроминерал. Хотя нельзя исключать его роль в катализе реакций с переносом группы или в качестве важного структурного компонента, наиболее вероятная роль олова будет заключаться в катализе окислительно-восстановительных реакций, включающих двухэлектронный перенос.Это позволит использовать способность олова иметь две степени окисления, разделенные двумя электронами.

    Exercise

    Основываясь исключительно на том, что вы знаете о химии ванадия и его положении в периодической таблице, предскажите вероятную биологическую функцию ванадия.

    Ответ: Ванадий, вероятно, катализирует реакции окисления-восстановления, поскольку он является переходным металлом первого ряда и, вероятно, имеет несколько степеней окисления.

    Резюме

    Многие элементы в периодической таблице - это основные микроэлементы , которые необходимы для роста большинства организмов.Хотя они присутствуют только в небольших количествах, они обладают важными биологическими эффектами из-за их участия в механизме амплификации . Макроминералы присутствуют в больших количествах и играют структурную роль или действуют как электролиты, распределение которых в клетках строго контролируется. Эти ионы селективно транспортируются через клеточные мембраны с помощью ионных насосов . Другие микроэлементы катализируют реакции передачи группы или реакции биологического окисления-восстановления, в то время как другие все же являются важными структурными компонентами биологических молекул.

    Ключевые выводы

    • Важнейшие микроэлементы у млекопитающих выполняют четыре основные роли: как макроминералы, как катализаторы в реакциях группового переноса или окислительно-восстановительных реакциях, или как структурные компоненты.

    Концептуальные проблемы

    1. Укажите хотя бы один критерий для основных элементов, участвующих в биологических реакциях окисления и восстановления. Какой регион таблицы Менделеева содержит элементы, которые очень хорошо подходят для этой роли? Объясните свои рассуждения.

    2. Каковы общие биологические роли микроэлементов, у которых нет двух или более доступных степеней окисления?

  • Специальный выпуск: Роль микроэлементов в химиопрофилактике и терапии рака

    Уважаемые коллеги,

    Микроэлементы являются неотъемлемой частью правильного функционирования нескольких важных биохимических процессов в живом организме. Было показано, что ряд важных микроэлементов, таких как железо, цинк, фторид, селен, медь, хром, йод, марганец и молибден, играют важную роль в этиологии и профилактике хронических заболеваний, включая рак.Добавление микроэлементов, вероятно, преодолеет вызванные дефицитом осложнения, но для лучшего снижения риска рака могут быть использованы новые варианты использования микроэлементов, содержащих природные и синтетические противораковые агенты, такие как селенорганические или цинкорганические соединения. Эти противораковые агенты можно использовать в сочетании с существующей химиотерапией для улучшения выживаемости или в качестве агента для сенсибилизации устойчивых к лекарствам опухолей и снижения токсичности, вызванной химиотерапией. Другие возникающие противоопухолевые эффекты могут включать, но не ограничиваются ими, влияние микроэлементов на микроокружение опухоли, гипоксию опухоли, микробиоту опухоли и улучшение иммунной системы.

    В этом специальном выпуске предлагаются оригинальные исследования (in vitro и in vivo), клинические исследования и / или обзоры научно-исследовательских разработок, основанных на механизмах использования микроэлементов и / или содержащих микроэлементы противораковых агентов в химиопрофилактике и терапии рака, включая, но не ограничиваясь указанными выше конкретными областями.

    Доктор Рагху Синха
    Приглашенный редактор

    Информация для подачи рукописей

    Рукописи должны быть представлены онлайн на сайте www.mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до указанного срока. Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска. Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

    Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции). Все рукописи тщательно рецензируются в рамках процесса одинарного слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Biomedicines - это международный рецензируемый ежемесячный журнал открытого доступа, публикуемый MDPI.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *