К микроэлементам и ультраэлементам относится группа химических элементов, содержание которых в организме человека и животных находится в пределах 10⁻³ - 10⁻¹² %. Их классифицируют на основе данных о степени эссенциальности (необходимости для поддержания нормальной жизнедеятельности организма человека). Решение вопроса о том, является ли микроэлемент эссенциальным, весьма сложен, поскольку сами эссенциальные микроэлемент могут проявлять токсические свойства и, напротив, некоторые токсичные микроэлементы могут быть при определенной дозировке жизненно важными для организма. Кремний, ванадий, бром, бор, серебро могут в настоящее время быть отнесены в группу так называемых условно-эссенциальных микроэлементов.
Серебро, существуя в природе в элементарном (самородном) виде, относится наряду с золотом и медью к первым трем металлам, с которыми познакомился человек. Антибактериальные свойства серебра бессознательно использовали с древних времен при хранении воды в серебряных сосудах. Другие условно эссенциальные микроэлементы были получены в чистом виде существенно позднее. Так, ряд исследований в течение XVIII в. привел к выделению в 1808 г. очень загрязненного бора французскими химиками Л.Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром и английским химиком Г. Деви. Только в 1892 г. французский химик А. Муассан получил образцы бора с чистотой 95-98%. Английское название элемента boron было предложено Г. Дэви. Открытие ванадия относится также к началу XIX в., когда в 1801 г. мексиканский минералог А.М. дель Рио заявил об открытии в мексиканской бурой свинцовой руде ранее неизвестного элемента. В 1830 г. этот элемент был повторно открыт шведским Химиком Н.Г. Сефстремом в железной руде из Швеции и назван ванадием в честь скандинавской богини красоты Ванадис. Сам металл в относительно чистом виде был выделен в 1867 г. Алиментарный кремний впервые получил в 1823 г. шведский химик И.Я. Берцелиус, а английское название этого элемента «silicon» было предложено шотландским химиком Т. Томсоном в 1831 г. Бром был открыт в 1826 г. французским химиком А.Ж. Баларом, который предложил назвать этот элемент муридом, но этот термин не был принят Академией наук Франции и был назван бромом (от греч. bromos «зловонный») за неприятный, резкий запах.
Критерии эссенциальности сформулированы в классической отечественной монографии А.П. Авцына с соавторами и включают: во-первых, постоянное присутствие микроэлемент в организме в количествах, сходных у разных индивидуумов; во-вторых, определенный порядок тканей организма по его содержанию; в-третьих, характерные симптомы недостаточности и определенные биохимические изменения в тканях у животных, получавших рационы, не содержащие этого микроэлемента; в-четвертых, обратимость отмеченных нарушений путем добавления тестируемого микроэлемента в пищу. Некоторые исследователи относят хром, кремний, ванадий и бром к вероятно необходимым для млекопитающих элементам, а бор считают элементом с малоизученной ролью. В то же время ряд специалистов-микроэлементологов уверенно относят хром к эссенциальным микроэлементам.
Данные об адекватных уровнях потребления этих микроэлементов достаточно противоречивы и немногочисленны. В то же время биодоступность нутриента может быть определена как степень достижения нутриентом, доставляемым с кровью, после всасывания в кишечнике места своего «функционального сайта». Количественная оценка биодоступности микроэлементов должна включать оценки их всасывания и ретенции. Краткая информация о всасывании, содержании и выведении из организма человека, а также физико-химических свойствах, пищевых источниках, потреблении, распространении в природе, известных биологических свойствах и токсичности рассматриваемых в данном разделе микроэлементов (бора, кремния, ванадия, брома и серебра) приводится ниже.
Кремний (лат. silicium) обозначается символом Si, по распространенности в земной коре кремний второй (за кислородом) элемент: содержание в литосфере составляет 29,5%. Эссенциальность кремния для организма человека не доказана. Верхний допустимый уровень суточного потребления кремния не установлен, рекомендуемый уровень потребления для взрослых составляет 30 мг/сут; вводится впервые. Следует отметить, что среднее суточное потребление кремния может варьировать в очень широком диапазоне – 9-1200 мг. В окружающей среде кремний распространен повсеместно и обнаружен во всех животных тканях. Содержание кремния в цельной крови людей оценивается как 3,9 мкг/мл. Самые высокие его концентрации обнаружены в соединительных тканях аорты, трахеи, связок, костях и коже; более низкие в печени, сердце и мышцах. Содержание кремния в волосах у взрослых жителей России составляет в норме 11-37 мг/кг, а у детей Концентрация его в коже и волосах с возрастом снижается. Содержание кремния в моче повышается с увеличением поступления его с пищей. Резорбция кремния оценивается (1-4%) и удерживается лишь 1% поступившего в организм элемента. 10-27 мг/кг. литосфере
Период полувыведения из организма также сильно варьирует– большая часть кремния выводится с фекалиями и около 40% потребленного с пищей кремния выводится с мочой. Кремний поступает в желудочно-кишечный тракт вместе с пищей в виде монокремниевой кислоты, твердых микроскопических частиц и в составе органических веществ. Поступившие из растений микрочастицы всасываются в небольших количествах и появляются в лимфатических узлах и в камнях мочеточников. Форма, в которой кремний поступил в организм из пищи, влияет на его усвояемость и зависит от его растворимости в желудочно-кишечном тракте. Усвоение кремния из пищи с высоким содержанием клетчатки почти в два раза выше по сравнению с низким. Повышенное содержание молибдена в пищевых продуктах снижает всасывание кремния. Пища растительного происхождения богаче кремнием, чем животного. Наибольшее удельное содержание кремния обнаруживается в овсе, ячмене, топинамбуре, затем в шелухе зерен, отрубях, проростках пшеницы и риса, цельных зернах пшеницы, риса, проса и кукурузы, свекле, капусте и многих других овощах и фруктах. Кремний содержится в пищевых продуктах, богатых целлюлозой: отрубях, овсяных хлопьях, хлебе из муки грубого помола. Высокие дозы кремния (солод) могут быть получены с пивом. - от 5 до 100 сут.
Кремний входит в качестве структурного компонента в состав гликозаминогликанов и их белковых комплексов, стимулирует синтез коллагена и присутствует в поперечных сшивках в соединительной ткани. Помимо структурной функции. кремний может играть матриксную или каталитическую роль в кальцификации костей. По мере созревания костей концентрация кремния в них уменьшается, а содержание кальция и фосфора увеличивается. Таким образом, кремний вместе с Фосфором принимает участие в развитии органического матрикса, направленном на окончательную кальцификацию костной ткани. Соединения кремния стимулируют продукцию макрофагами IL-1, ФНО-α, лейкотриенов и простагландина E2. Продолжительное поступление частиц кремния в легкие вызывает силикоз. Силикаты и асбест стимулируют фиброгенную реакцию в легких, развитие злокачественных опухолей плевры и брюшины. Дефицит кремния у людей и домашних животных в естественных условиях маловероятен.
Бор (лат. boron) обозначается символом В, в соединениях для него наиболее характерна степень окисления + 3. Верхний допустимый уровень суточного потребления бора строго не установлен, однако, по некоторым оценкам, верхний допустимый уровень безопасного среднесуточного потребления этого микроэлемента составляет 13 мг. в организме взрослого человека (массой 70 кг) в среднем содержится 12 мг бора. Концентрация бора в тканях и органах животных составляет в мягких тканях в основном от 0,05 до 0,6 мг/г (сырой вес), его уровень в кости выше в несколько раз. Наибольшее содержание бора - в ногтях (33 мг/кг) и зубах (5 мг). Среднее суточное потребление бора с пищевыми продуктами составляет 1,3 мг, из них немногим более 0,2 мг с водой. Резорбция оценивается приблизительно как 100%. Добавленный в пищу в форме бората натрия или борной кислоты, бор быстро всасывается. Период полувыведения из организма –11 сут. Большая часть бора выводится с мочой (1,0 мг), с фекалиями - 0,22 мг. -
Плоды, овощи и орехи являются более богатыми источниками бора по сравнению с мясом и рыбой и обеспечивают поступление 1-2 мг. Люди, потребляющие диеты с низким уровнем пищевых продуктов растительного происхождения, могут не достигать уровня адекватного потребления бора. Бор, безусловно, является необходимым элементом для растений, а для животных и человека его эссенциальность в настоящее время является предметом обсуждения. Бор участвует в метаболизме жиров, углеводов, некоторых гормонов, влияет на активность ряда ферментов. Предполагают косвенное влияние бора на метаболизм магния. кальция, фосфора и холекальциферола. Бор важен для поддержания нормального состояния костей и может быть существенным фактором в предотвращении остеопороза. Высказываются предположения, что недостаточное потребление бора может усугублять развитие таких заболеваний, как мочекаменная болезнь, тромбоцитопения, вызывать задержку роста, снижение ментальных способностей. При пероральном поступлении бор низкотоксичен: признаки токсичности начинают появляться при уровнях бора в рационе выше 100 мг/кг. Симптоматика токсического действия бора, содержащегося в воде, проявляется при более низких уровнях, чем при тех же уровнях в пище. Бор, который задерживается в организме, концентрируется в мозге, печени и жире. Его накопление может приводить к расстройству желудка, диарее, рвоте, сопровождаться тремором и конвульсиями. Острая интоксикация бором может выражаться расстройствами пищеварительной системы (диареей, рвотой, тошнотой), а также дерматитом. Признаки возможной хронической интоксикации довольно многочисленны: снижение аппетита, расстройства ЖКТ, дегидратация организма, кожные высыпания, снижение половой активности, выпадение волос, малокровие.
Ванадий (лат. vanadium) обозначается символом V. Его безопасный уровень суточного потребления для взрослых не определен. Среднее содержание ванадия в организме взрослого человека варьирует в очень широких пределах: 0,11-18,0 мг/ 70 кг мт (масса тела). Ванадий распределяется у высших животных по всему организму равномерно в очень низких концентрациях. Основными местами депонирования ванадия являются кости, селезенка и печень. Он обнаружен в эмали и дентине зубов человека, не подвергнутых кариесу. Среднее суточное потребление ванадия с пищевыми продуктами оценивается в основном как 10-20 мкг, хотя ранее приводились оценки значительно большего среднесуточного потребления этого микроэлемента (2 мг/сут) и экскреции с мочой (0,015-0,030 мг) и фекалиями (1,94 мг). Неорганические соединения ванадия плохо всасываются в желудочно-кишечный тракт: его резорбция по некоторым оценкам варьирует в интервале 0,1-2,0%, а для хелатных комплексов ванадия всасывание, по-видимому, может увеличиваться на порядок. Содержание ванадия в пищевых продуктах варьирует в диапазоне 1-30 мкг/кг. Концентрации ванадия в интервале 1-5 мкг/кг обнаружены в растительных маслах, фруктах и овощах. Цельные зерна злаковых культур, продукты моря, мясо и молоко содержат ванадий в диапазоне 5-30 мкг/кг. Ванадий содержится также в фасоли, горохе, моркови, свекле, грибах, вишне и землянике и многих других продуктах, не относящихся к числу редких. Морская рыба также содержит больше ванадия, чем пресноводная рыба. Основные биологически значимые формы ванадия в составе пищевых продуктов - это ванадилы и ванадаты.Предположения об эссенциальности ванадия были высказаны еще в 1971 г. на основании экспериментальных исследований, однако в настоящее время их нельзя считать доказанными. Недостаточная обеспеченность организма ванадием, по некоторым данным, приводит к задержке натрия и воды, декомпенсации сахарного диабета. Прием ванадил сульфата в составе диеты улучшал чувствительность к инсулину пациентов, страдающих сахарным диабетом 2-го типа. Ванадий проявляет свою токсичность при парентеральном введении: дозы 25-50 мкг/кг МТ (масса тела) приводят к замедлению роста, диарее, увеличению смертности. Токсическая доза для человека (масса тела 70 кг) составляет 250 мг, а летальная 2 г. Однако вследствие его низкой усвояемости вероятность токсических эффектов ванадия в составе пищевых продуктов крайне маловероятна. В экспериментах in vivo на крысах установлена токсичность диеты. B содержащей 25 мг ванадия/кг диеты.
Серебро (лат. argentum) обозначается символом Ag - ковкий, пластичный благородный металл серебристо-белого цвета. Серебро может накапливаться в мягких тканях организма (около 790 мкг), причем 300 мкг - в печени, в головном мозге – 0,03 мг/кг массы ткани. В целом в организме человека содержится не более 1 мг серебра. Ежесуточное поступление серебра в организм составляет от 2717 мкг в Великобритании, до 88 мкг в США. С мочой на протяжении суток выделяется 2 мкг серебра, с калом 60 мкг, с потом 0,4 мкг. Период полувыведения - из организма варьирует от 3 до 50 сут.
Предполагается, что серебро уменьшает клеточную проницаемость тканей, повышает активность аденозинтрифосфатазы, при избыточном попадании в организм может инактивировать аденозинтрифосфатную активность миозина, тиоловые группы ферментных систем, аспарагиназу. Серебро и его соединения обладают бактерицидной, противовирусной и противогрибковой активностью. Ионы серебра обладают аффинностью к сульфгидрильным группам ферментных систем клеточной стенки, препятствуя трансмембранному переносу энергии и электронному транспорту у бактерий, блокируют дыхательную цепь микроорганизмов (обратимо - в низких концентрациях и необратимо в высоких). В качестве противовоспалительного и бактерицидного средства используется нитрат серебра, связывающий сульфгидрильные и карбоксильные группы и вызывающий тем самым денатурацию белка. Установлено синергидное действие перекиси водорода и нитрата серебра на подавление жизнеспособности Escherichia coli. Серебро в небольших количествах встречается преимущественно в продуктах растительного происхождения (отруби и некоторые грибы, огурцы, тыква, арбуз, яичный желток), в которых оно может содержаться в количестве до 300 мг/кг. Содержание серебра в пищевых продуктах величина непостоянная и зависит от состава почвы.
Бром (лат. bromum) обозначается символом Br– это красно-бурая жидкость с сильным неприятным запахом. Бром открыт в 1826 г. французским химиком А.Ж. Балларом. Содержание брома в организме человека составляет 200-300 мг/70 кг МТ и распределяется относительно равномерно (в щитовидной железе; слизистой желудка, являясь в форме HBr составной частью желудочного сока, обусловливая наряду с хлором его кислотность; гипофизе; надпочечниках: эритроцитах: скелете и мышцах). Существует рециркуляция брома между и кровью. Концентрация брома в крови составляет 1,7-4,3 мг/л. Он легко всасывается в кишечнике. За сутки с пищей и водой его поступает около 6,5-7,5 мг. Рекомендуемое суточное потребление брома не установлено. Период полувыведения брома варьирует от 8 до 18 сут. Экскретируется этот микроэлемент в основном с мочой - 0,8-12 мг/сут.
Физиологическое действие брома заключается во влиянии на процессы возбуждения и торможения путем воздействия на активность холинэстеразы. Действие брома на ЦНС связано с его способностью вытеснять хлор и накапливаться в липидной части мембран клеток головного мозга, активируя при этом мембранные ферменты. Бром влияет на железы внутренней секреции щитовидную железу, гипофиз, надпочечники. Кроме того, он принимает участие в обмене белков, жиров и углеводов, усиливает действие некоторых витаминов. В последнее время представлены свидетельства необходимости брома для образования коллагена. В наибольших количествах бром содержится в зерновых, бобовых культурах и орехах, находится в морских водорослях, рыбе и бромсодержащей минеральной воде. В поваренной соли содержится до 0,1% бромидов. Побочные эффекты от применения препаратов брома (так называемый бромизм) нередко проявляются в виде кожных реакций, часть из которых имеет аллергический компонент (многоформная эритема, экзантематозные, буллезные высыпания, коревидные и скарлатиноподобные сыпи, крапивница, экзематозные поражения, сонливость, атаксия, снижение функций органов чувств, делирий с галлюцинациями, раздражение слизистых оболочек со своеобразными высыпаниями и избыточной секрецией железистого аппарата).
Деление МЭ на эссенциальные и условно-эссенциальные до некоторой степени произвольно и отражает на современном этапе развития элементологии ограниченность наших знаний об участии этих микроэлементов в регулировании физиологических функций организма млекопитающих на всех стадиях развития.