(РО^- ), сульфат (SO-), молибдат (МоО-) и селенит (SeOf-). Вероятно необходимые элементы также постоянно обнаруживаются в тканях животных в относительно стабильных количествах, но не удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям. Участие этих элементов в обменных процессах может ограничиваться отдельными тканями и в ряде случаев требует экспериментального подтверждения.
Что касается элементов, роль которых в организме мало изучена или неизвестна, то многие из них, по-видимому, случайно накапливаются в организме, поступая с кормами и не выполняя какой-либо полезной функции. Однако строго ограничивать группу биогенных элементов тоже нельзя, поскольку возможно открытие биологической роли новых элементов. Например, в последние годы установлена биотическая роль селена, появились экспериментальные данные об участии в метаболических процессах фтора, хрома, кремния, мышьяка.
На рисунке 2.1 приведена схема классификации элементов тела животных, в которой одновременно учтены их количественные характеристики и значение для процессов жизнедеятельности. Классификация элементов по степени их биогенности, как и две предыдущие, имеет существенные недостатки: она слишком обща, не отражает механизма влияния минеральных элементов на организм и не позволяет достаточно точно предвидеть возможную биологическую роль или токсикологический эффект того или иного элемента. В настоящее время исследователи вынуждены, как правило, давать индивидуальную оценку каждому элементу.
2.2. СВЯЗЬ МЕЖДУ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ
Научно обоснованное предвидение действия того или иного элемента на организм, по-видимому, невозможно без надежного решения вопроса о зависимости биологического действия элементов от их положения в периодической системе Д. И. Менделеева.
Периодический закон, как объективный закон природы, раскрывающий связь между двумя фундаментальными свойствами элементов— порядковым номером и комплексом химических свойств, должен дать ответ на вопрос, что можно ожидать от поведения того или иного элемента в организме животных и человека. Речь идет, разумеется, не просто о принадлежности элемента к той или иной группе и подгруппе периодической системы, а о более глубоких связях, в частности о связи распространенности и биодействия элементов с квантовыми характеристиками их атомов. Зная электронную конфигурацию атома, заполнение орбиталей и ориентацию спинов (параллельную или противоположную), можно предсказать физико-химические свойства и отчасти биологическую активность соответствующего элемента (его способность к
Рис. 2.2. Развернутый график периодической системы биоэлементов.
комплексообразованию, возможный антагонизм и синергизм с другими элементами и т. д.)*.
На рисунке 2.2 представлен развернутый график периодической системы, составленный с учетом квантовых характеристик атомов биоэлементов.
В график включены 49 элементов, содержание которых в организме определено количественно (жизненно необходимые, условно необходимые и элементы с неустановленной функцией). Исключены инертные газы. Ряды отсутствуют — длинные периоды вытянуты в горизонтальные строки. Элементы распределены по разделам по характеру заполнения подоболочки (s, р, d), соответственно обозначена нумерация групп и подгрупп. Слева приведена нумерация периодов и электронная конфигурация атомов элементов данного периода.
Схема удобна для биологического анализа, поскольку в обычном варианте периодической системы элементы, расположенные в главной и побочной подгруппах одной и той же группы, не всегда обладают аналогичными биологическими свойствами. Кроме того, график облегчает установление возможной связи между квантовыми характеристиками атомов и биологическими свойствами элементов.
*** Электронная конфигурация абсолютно необходимых и вероятно необходимых элементов приведена в приложении №** 1.
Можно констатировать тот факт, что большинство жизненно необходимых элементов (включая и органогены) расположено в начальных периодах периодической системы; в объяснении свойств именно этих элементов больших успехов достигла квантовая теория.
Среди биотических минеральных элементов (жизненно необходимых и вероятно необходимых) s-подгруппа представлена 5 элементами* из 14, р-подгруппа—9 элементами* из 21, d-подгруппа— 11 ^элементами из 15. Элементы f-подгруппы в связи с недостаточной чувствительностью измерительной техники пока не обнаружены. Однако, принимая во внимание возрастание комплексообразующей способности с увеличением орбитального квантового числа (1), можно предположить возможную биологическую роль некоторых элементов f-подгруппы. Элементы s-подгруппы представлены одновалентными и двухвалентными металлами. Металлы главной подгруппы первой группы (Na, К) отличаются высокой степенью растворимости и низким потенциалом ионизации. Они являются основными катионами внеклеточной (Na +) и внутриклеточной (К + ) среды, равномерно распределяются по организму.
Металлы главной подгруппы второй группы (Mg, Са, Sr) участвуют в образовании опорных тканей и в виде ионов содержатся во внутренней среде организма, имея высокую биологическую активность. Следует отметить, что радиусы гидратированных ионов первой и второй групп значительно больше их кристаллографических радиусов.
Вероятно, биологическая роль элементов металлов d-подгруппы, которые обладают насыщенным (до 18) или переходным (от 8 до 18) электронным слоем, предшествующим наружному, и высокой способностью к комплексообразованию — образование биологически активных хелатов, участие в структуре коферментов, активация (в виде ионов) ферментных систем.
Особое место в этой подгруппе занимают цинк и кадмий, атомы которых имеют по два электрона вне заполненной подоболочки. Эти элементы не проявляют переменной валентности и не образуют соединений, в которых d-подоболочка была бы незаполненной. Поэтому их рассматривают как непереходные элементы. Способность этих элементов к комплексообразованию слабее, чем у переходных.
Элементы р-подгруппы включают в себя макрои микроэлементы пятой, шестой и седьмой групп. По химическим свойствам — это типичные неметаллы (галогены, сера, селен) или амфотерные элементы (кремний, мышьяк). Они участвуют в образовании мягких и частично опорных тканей, играют важную роль в энергетических процессах, входят в состав сложных органических соединений, обладающих биологической активностью.
*** Не учтены органогены (Н в s-подгруппе, С,** N, 0 —в р-подгруппе).
