Все элементы, участвующие в построении и жизнедеятельности организма, биогенны.
Перечислить в настоящее время потребное количество многих элементов невозможно из-за трудности определения очень низких концентраций. Однако биогенность многих определена с большой достоверностью и использование этих знаний позволяет совершенствовать сельскохозяйственную деятельность, улучшая количественные, качественные, экономические, экологические и другие параметры.
В процессе эволюционных преобразований в основу живых систем вышли элементы, получившие название органогены: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Общая массовая доля их в организме составляет более 97%. Наряду с органогенами активное участие в обмене веществ принимают следующие 10 элементов: калий, натрий, кальций, магний, марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден – получившие название металлы жизни (II).
Биогенность таких элементов, как фтор, хлор, бром, иод, кремний, селен, мышьяк, литий, барий, стронций, олово, титан, ванадий, хром, не вызывают сомнений несмотря на то, что потребляемое количество их чрезмерно мало (10-6 – 10-4 %).
Элементы, содержание которых в организме больше 10-3 %, называют макроэлементами. Главная функция их состоит в построении тканей, поддержании осмотического, водно-электролитного, кислотно-основного, окислительно-восстановительного и металло-лигандного гомеостаза.
Элементы, содержание которых в организме находится в пределах 10-6 – 10-3 %, называют микроэлементами. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других биологически активных веществ. Микроэлементы неравномерно распределяются между тканями и органами. Поскольку большинство из них в максимальных концентрациях содержатся в печени, её называют – депо микроэлементов.
Отдельные же микроэлементы являются специфичными для определенных органов. Повышенное содержание иода в щитовидной железе, фтора – в эмали зубов, цинка – в поджелудочной железе, молибдена – в почках, стронция – в костях, марганца, брома и хрома – в гипофизе, бария – в сетчатке глаза (II).
Приведенные сведения о макро- и микроэлементах являются доказательством важности и необходимости их для функциональной деятельности организма.
Для управления процессами, обеспечивающими полноценность питания, содержание элементов должно быть не только в наличии, но и в строго определенном количестве. Количество это определяется не произвольно, а строго в соответствии с физиологической потребностью организма. И даже те элементы, потребность которых определяется мизерными количествами, но функциональная значимость неоспорима, заслуживает не менее пристального внимания, так как нарушение их физиологической нормы существенно влияет на жизнедеятельность организма. Такие элементы, как бериллий, барий, мышьяк, свинец, кадмий, ртуть, титан, потому отнесены к токсикантам, что современными методами не установлена их физиологическая норма и тем более нет методик, дозирующих их количество.
Для нормального физиологического процесса в организме должен поддерживаться оптимальный уровень насыщения тканей микроэлементами, т.е. микроэлементный гомеостаз.
Физиологические процессы в организме регулируются с помощью активаторов и ингибиторов. Активаторы ускоряют химические реакции, ингибиторы тормозят действие ферментов. Активаторами ферментов часто бывают катионы магния, марганца, цинка, кобальта, калия, иногда анионы хлора, ингибиторами – ртуть, свинец, кадмий, мышьяк. Бывают ингибиторы и белковой природы.
Активность фермента зависит не только от химического состава реагирующих компонентов, но и их концентрации. При соответствующей норме концентрации элементов активность фермента достигает максимальных значений, а скорость реакции обеспечивает устойчивость физиологических функций. Следовательно, не только при наличии, но и достаточном количестве элемента (не исключая оптимальные условия среды) обеспечивается устойчивость физиологических функций.
В организме одновременно протекает множество химических реакций и находящиеся в системе вещества являются реагентами или продуктами не одной, а нескольких реакций, каждая из которых проходит только при условии протекания другой – сопряжённой. В результате взаимодействия реагирующих компонентов образуется общий конечный или промежуточный продукт. Количество и полноценность их находится в прямой зависимости от обеспеченности тем или иным элементом. Недостаточное количество любого из них нарушит последовательность и интенсивность продукционного процесса. Промежуточный продукт сопряженных реакций может играть роль катализатора или ингибитора, важность которых для жизнедеятельности организма равнозначна, так как они обеспечивают незатухаемость биохимических автоколебательных систем. Циклические изменения концентраций промежуточных соединений будут влиять на скорость образования конечного продукта, концентрация которого в системе также будет изменяться периодически во времени: то нарастать, то падать. Такой кинетический режим называется автоколебательным. Автоколебательный режим будет устойчив во времени при постоянном, требуемом уровне концентрации исходного вещества. Незатухающие автоколебания биохимического процесса являются условием самоорганизации и поддержания жизни в организме. Их следует рассматривать как результат эволюции живого, как наиболее оптимальную и экономичную форму жизнедеятельности. На всех уровнях организации живого – от молекулярного до популяционного – происходят незатухающие автоколебания какого-либо параметра во времени: ферментативная активность, концентрация метаболитов, гликолиз, биохимия сердечной мышцы, численность популяции и т.п. Необеспеченность биохимического процесса в сердечной мышце полностью нарушает её автоколебательный режим, что приводит с серьёзной патологии вплоть до летального исхода.
Не менее важны биохимические процессы, обеспечивающие и другие физиологические функции организма. Нарушение такого важного процесса как катаболизм глюкозы (гликолиз), обусловленного недостатком фосфора, приведет к энергетическому голоду клеток и нарушению всех обменных процессов, протекающих на определенном энергетическом уровне. При оптимальном режиме гликолиза на каждую вступившую в реакцию молекулу глюкозы образуется 38 молекул АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Это соединение выполняет функцию аккумулятора энергии, которая выделяется при гидролизе АТФ. Аденозинтрифосфат функционирует в клетках как промежуточный продукт, обеспечивающий протекание жизненно важных
процессов, таких как синтез метаболитов (химическая работа), сокращение мышц (механическая работа), перенос веществ через мембраны против градиента концентрации (активный транспорт) и передачи информации (нервные импульсы).
Приведенные примеры являются свидетельством важности химических элементов и нормы их концентрации для биохимических процессов в организме.
Знание и умелое управление балансом питательных веществ позволяет создать оптимальные условия для зарождения и жизнедеятельности организмов.
Многие процессы жизнедеятельности протекают с участием комплексных соединений. Основой этих соединений являются биогенные металлы, которые совместно с белками, витаминами, ферментами и другими веществами выполняют специфические функции в обмене веществ.
Характерной особенностью комплексных соединений является устойчивость сложного состава, наделенного функцией акцептора, вокруг которого координируются элементы доноры. Совокупность центрального атома (комплексообразователя) и молекул или ионов-доноров образует внутреннюю сферу комплексного соединения.
Одним из важнейших свойств комплексных соединений, обеспечивающих постоянство состава и свойств внутренней среды организма, устойчивость его физиологических функций (общий гомеостаз), является поддержание протолитического, т.е. кислотно-щелочного, баланса на необходимом уровне.
Дисбаланс элементов в этих соединениях нарушит функциональную деятельность жизненно-важных буферных систем – гидрокарбонатной, гидрофосфатной, гемоглобиновой, белковых.
Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот. Нарушение кислотно-основного равновесия устраняется гидрокарбонатной буферной системой. Гидрокарбонатный буфер является основной буферной системой плазмы крови. Он функционирует также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.
Гидрофосфатная буферная система функционирует как в крови\, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках она представлена калийнофосфатными, а в плазме крови и межклеточной жидкости – натрие-фосфатными соединениями. Избыточное количество гидро и дигидрофосфата, образующееся при несбалансированном питании, выводится почками. При этом следует заметить, что избыточное потребление белковой пищи, некачественного силоса или, наоборот, кормов с повышенной концентрацией оснований, может привести к патологическим изменениям в почках.
Гемоглобиновая буферная система является сложной системой эритроцитов. Она играет значительную роль сразу в нескольких важнейших процессах организма: дыхании, транспорте кислорода в ткани и поддержании оптимального уровня рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови.
Белковые (протеиновые) буферные системы в зависимости от кислотно-основных свойств белка бывают анионного или катионного типа. Катионная белковая буферная система поддерживает величину рН в физиологических средах меньше 6, анионная белковая буферная система в средах с рН > 6. В крови работает анионный белковый буфер.
