Многие элементы в виде минеральных солей, ионов, комплексных соединений и органических веществ входят в состав живой материи и являются незаменимыми нутриентами, которые должны ежедневно потребляться с пищей. Содержание минеральных веществ в основных продуктах приведено в табл. 1.

Таблица 1. Минеральный состав основных продуктов питания

В соответствии с рекомендацией диетологической комиссии Национальной академии США (1998 г.), ежедневное поступление химических элементов с пищей должно находиться на определенном уровне (табл. 2).

Таблица 2. Суточное поступление химических элементов в организм человека, мг

Столько же химических элементов должно ежесуточно выводиться из организма, поскольку их содержание в нем находится в относительном постоянстве.

Роль минеральных веществ в организме человека чрезвычайно разнообразна, несмотря на то, что они не являются обязательным компонентом питания. Минеральные вещества содержатся в протоплазме и биологических жидкостях, играют основную роль в обеспечении постоянства осмотического давления, что является необходимым условием для нормальной жизнедеятельности клеток и тканей. Они входят в состав сложных органических соединений (например, гемоглобина, гормонов, ферментов), являются пластическим материалом для построения костной и зубной ткани.

В виде ионов минеральные вещества участвуют в передаче нервных импульсов, обеспечивают свертываемость крови и другие физиологические процессы организма.

1. Классификация минеральных веществ

Минеральные вещества, входящие в состав пищевого рациона человека, классифицируются на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Содержание макроэлементов в организме более 1 г: фосфор, калий, кальций, натрий, хлор, магний, железо, фтор, цинк, кремний, цирконий – 11 элементов. Эту группу элементов можно разделить на 4 подгруппы, между которыми существует 5-кратный разрыв по суммарной массе элементов.

• В первой подгруппе – кальций (его содержание в организме более 1 кг) и фосфор, содержание которого в организме взрослого человека в среднем около 780 г, его в 5 раз больше, чем калия (140 г).
• Во второй подгруппе – наименее значимые элементы: калий, сера, натрий, хлор, содержание которых в организме превышает 100 г.
• В третьей подгруппе – магний, которого содержится около 19 г. В четвертой подгруппе – 5 элементов: железо, фтор, цинк, кремний, цирконий, содержание которых в организме колеблется от 1,5 до 4,5 г.

Микроэлементы, содержание которых в организме составляет более 1 мг: рубидий, стронций, бром, свинец, ниобий, медь, алюминий, кадмий, барий, бор (первая десятка микроэлементов), теллур, ванадий, мышьяк, олово, селен, титан, ртуть, марганец, йод, никель, золото, молибден, сурьма, хром, иттрий, кобальт, цезий, германий – 28 элементов.

Эту группу также можно разделить на 5 основных подгрупп.

• Первая подгруппа – 5 микроэлементов, содержание которых в организме превышает 100 мг (100–680 мг): рубидий, стронций, бром, свинец и ниобий.
• Вторая подгруппа – 3 микроэлемента, содержание которых в организме более 50 мг (50–72 мг): медь, алюминий и кадмий.
• Третья подгруппа – 13 микроэлементов, содержание которых в организме более 10 мг (10–22 мг): барий, бор, теллур, ванадий, мышьяк, олово, селен, титан, ртуть, марганец, йод, никель и золото.
• Четвертая подгруппа – 3 микроэлемента, содержание которых в организме более 5 мг (5,0–9,5 мг): молибден, сурьма и хром.
• Пятая подгруппа – 4 микроэлемента, содержание которых в организме более 1 мг (1,0–4,5 мг): иттрий, кобальт, цезий и германий.

Ультрамикроэлементы – содержание в организме менее 1 мг. Некоторые элементы могут присутствовать на уровне микрограммов или в следовых количествах. Это все остальные элементы таблицы Менделеева. Наиболее высокий рейтинг по содержанию имеют серебро и литий (500–800 мкг), урана и бериллия в организме содержится почти в 10 раз меньше (36– 90 мкг). Остальные элементы содержатся в организме в еще более незначительном количестве.

По характеру всасывания и накопления в организме все элементы также можно разделить на две основные группы.

• В первую входят анионы: фтор, йод, селен, молибден, хром (VI), ванадий, большинство из которых хорошо усваиваются. Их содержание в организме в основном зависит от содержания в окружающей геохимической среде.
• Вторую группу представляют катионы: натрий, калий, магний, кальций, хром (III), марганец, железо, медь, цинк, кобальт, большинство из которых усваиваются плохо. Их содержание в организме в основном зависит от содержания в пище.

Содержание элементов в организме человека меняется с возрастом. Например, содержание кальция и кремния увеличивается, а калия и натрия – уменьшается. Возрастные изменения содержания элементов могут носить линейный или циклический характер. Например, содержание кальция в организме человека достигает первого максимума к 9–11 годам, но к 12 годам оно снижается, а затем опять начинает увеличиваться.

Содержание фосфора меняется в обратном направлении. Имеются существенные различия в содержании элементов в организме в зависимости от пола. Например, в организме женщин содержится больше кальция, магния, фосфора, цинка, меди и марганца. Организм мужчин содержит почти вдвое больше ртути, кадмия, свинца, железа.

Оценка содержания элементов в организме может иметь значение при прогнозе развития некоторых заболеваний. Например, при бронхиальной астме в организме снижается содержание марганца и меди (на 50 %), цинка (на 40 %) и магния (на 20 %). Напротив, у часто болеющих детей наблюдают избыток содержания алюминия, кальция, хрома, кремния.

Содержание элементов в организме определяется балансом между поступлением с пищей, водой, воздухом или через кожу и выведением их из организма.

Значение минеральных веществ для организма человека показано в табл. 3.

Таблица 3.  Значение некоторых макро- и микроэлементов для нормальной жизнедеятельности организма

В табл. 3 перечислена лишь часть тех эффектов, которые связаны с представленными макро- и микроэлементами. На самом деле таких эффектов гораздо больше, и они касаются работы всех без исключения органов и систем организма, т. к. элементы присутствуют во всех клетках организма и участвуют в работе ферментных и регулирующих систем. В то же время действие отдельных элементов может иметь четкие внешние проявления, которые касаются работы вполне определенных систем.

2. Физиологическая роль элементов

Биологическое действие любого макро- и микроэлемента напрямую зависит от его содержания в организме. Существуют несколько зон биологического действия элементов. При высоких – токсических концентрациях любого элемента возникает зона токсического действия, и каждый элемент может проявлять токсичность.

С уменьшением содержания элемента наступает так называемая зона бездействия, когда он перестает проявлять токсичность. При дальнейшем уменьшении содержания начинается зона биотического действия элемента, при котором проявляются полезные эффекты элемента. Значительное уменьшение содержания элемента в организме вызывает прекращение его действия, и возникает зона дефицита.

Другая закономерность физиологического действия элементов заключается в том, что активность проявляет лишь очень небольшая часть пула элементов организма, более значительное их количество находится в связанной форме. Например, из 200 мкг йода, которые поступают в организм человека с пищей, используется 70– 140 мкг этого элемента. 99 % всего кальция (1200 г) сконцентрировано в составе костной ткани и лишь около 1 % кальция находится в физиологически активной форме. Из 2,3–3,8 г железа 64–75 % его находится в составе гемоглобина и миоглобина, 0,1–0,5 % железа связано с ферментами.

Подавляющее число элементов в организме, за исключением электролитов, действуют не сами по себе, а в комплексе с органическими макромолекулами, главным образом, с ферментами. Во внутренней среде организма большинство микроэлементов находятся не в свободной, а в связанной форме в комплексе с субстратсвязывающими белками и другими макромолекулами. При этом происходит концентрирование и накопление определенных элементов в отдельных органах и тканях. Например, в клетках щитовидной железы концентрация йода в 300 раз выше, чем в плазме крови. То же касается и костной ткани, где концентрируются запасы кальция, фосфора, магния, тяжелых металлов.

Физиологическую роль элементов подчас трудно понять и объяснить, если не вникать в их химические свойства, массу атомов, размер элементов или их ионов. Например, кальций и стронций по своим химическим свойствам очень похожи друг на друга. Но если в костной ткани часть ионов кальция заменить ионами стронция, которые имеют более крупные размеры, то структура ткани становится более рыхлой, а кости – более ломкими и склонными к искривлению.

Такого рода аномалии скелета наблюдают в некоторых геохимических зонах, где в почве повышено содержание стронция. Также очень похожи между собой ионы натрия и калия. Но ионы калия гораздо крупнее ионов натрия, и это обстоятельство определило их судьбу в живых системах. Калий в организме находится главным образом внутри клеток, а натрий во внеклеточных жидкостях. В эритроцитах калия в 10,5 раз больше, чем натрия, а в плазме крови, наоборот, натрия почти в 30 раз больше, чем калия.

Важную роль в процессах биологического катализа играют металлы с переменной валентностью (медь, железо, хром), которые обладают способностью быстро отдавать или забирать электрон. Поэтому, например, железо входит в состав важнейших окислительных ферментов – каталазы, пероксидазы, цитохромов.

Участие различных микроэлементов в качестве катализаторов химических реакций строго специфично и основано на определенных и неповторимых химических свойствах этих элементов.

Благодаря присутствию микроэлементов многие ферменты могут работать в обоих направлениях, в зависимости от обстоятельств, расщепляя биомолекулу или соединяя вместе продукты распада. Например, известный фермент алкогольдегидрогеназа обладает способностью не только расщеплять этиловый спирт на ацетальдегид и воду, но и инактивировать избыток ацетальдегида с образованием в организме этилового спирта.

3. Биодоступность элементов

Поступление элементов в организм зависит от многих факторов. Большую роль играет содержание элемента в питании, уровень всасывания (форма, в которой находится элемент), содержание в пище веществ, препятствующих всасыванию элемента. Существуют значительные колебания поступления элементов в организм, например, для магния они могут меняться от 160 до 410 мг/сут (среднее значение составляет 285 мг, но в качестве стандарта принимают 340 мг), для железа – 9–20 мг в сутки (западный тип питания), для меди – 0,7–5,0 мг/сут.

Подавляющее большинство элементов поступает в организм с пищей и водой (через ЖКТ). Часть элементов может проникать в организм с вдыхаемым воздухом, например около 920 г кислорода. Из 150 мкг кадмия, ежедневно поступающего в организм вместе с пищей, около 1 мкг может поступать с воздухом в составе пыли.

Кожа также является одним из каналов, через которые во внутреннюю среду организма могут поступать или выделяться различные элементы. Такой путь введения необходимых микроэлементов в организм можно использовать, применяя препараты лечебной косметики. Этот перенос осуществляется с помощью механизмов трансдермального транспорта.

Всасывание элементов в желудочно-кишечном тракте при их поступлении в составе пищи является важнейшим вопросом, который позволяет понять очень многое в обмене элементов в организме. Известно, что всасывание разных элементов существенно различается. Все элементы, с учетом коэффициента всасывания, можно разделить на 4 основные группы.

1. Группа элементов, которые всасываются почти на 100 %: фосфор, сера, калий, натрий, хлор, фтор, рубидий, бром, йод, бор, мышьяк, молибден, германий. Хорошо всасываются почти все макроэлементы, за исключением кальция, всасывание которого колеблется от 0,12 до 0,67 (за эталон принимают 0,3).
2. Элементы, средний коэффициент всасывания которых составляет 0,25–0,50 (25–50 %): селен, кальций, магний, цинк, кремний, стронций, медь, ртуть, кобальт.
3. Элементы, для которых характерно низкое всасывание; средний коэффициент всасывания составляет 0,1–0,2 (10–20 %): олово, свинец, кадмий, железо, марганец, золото, хром, сурьма.
4. Элементы, которые всасываются очень плохо, средний коэффициент всасывания составляет 0,002–0,070 (0,2–7,0 %): ниобий, барий, цирконий, никель, титан, ванадий, алюминий, бериллий.

Знание такого показателя, как способность к всасыванию, позволяет объяснить многие физиологические эффекты макро- и микроэлементов. Для тех из элементов, которые очень хорошо (на 80– 100 %) всасываются в ЖКТ, не возникает проблемы дефицитов (за исключением йода и фтора). К таким элементам можно отнести хлор, натрий, калий, бром, фтор, йод, фосфор, серу, молибден, а также токсичные – бор и мышьяк. По этой причине очень легко получить отравление мышьяком или препаратами, содержащими бор. Избыток йода или фтора в пище и воде также может вызвать тяжелейшие интоксикации, т. к. оба этих элемента при попадании в ЖКТ будут полностью всасываться в кровь. Для обоих этих микроэлементов известны дефициты, но причины их очень разные.

Йод отличается высокой скоростью обновления (5,5 сут) и быстро теряется организмом, поэтому он должен поступать с пищей непрерывно. Фтор, напротив, имеет очень низкую скорость обновления (1450 сут), поэтому его дефицит характерен для регионов с очень низким содержанием фтора в пище и питьевой воде. Однако все попытки решить проблему дефицита фтора фторированием воды закончились развитием интоксикации.

К числу элементов, обладающих умеренным всасыванием (30 %), относятся такие известные микроэлементы, как кальций и магний. Еще хуже всасываются (около 10 %) железо, марганец и хром. Вот почему в медицине хорошо известны такие заболевания, как остеопороз, связанный с дефицитом не только кальция, но и магния, и анемия, как правило, связанная с дефицитом железа. По этой же причине хорошо известны клинические формы дефицита цинка, меди, марганца и хрома.

С другой стороны, низкое всасывание некоторых тяжелых металлов (стронция, свинца, кадмия, сурьмы), а также алюминия или бериллия предотвращает их накопление в организме. В этом отношении наибольшую опасность представляют мышьяк и ртуть, которые очень медленно выводятся из организма (865 сут).

Очень низкое всасывание таких токсических и условно токсических элементов, как, например, серебро, алюминий, бериллий, является гарантией безопасности организма при использовании алюминиевой посуды или применении препаратов коллоидного серебра.

Всасывание элементов в ЖКТ является величиной непостоянной и может меняться под воздействием как внешних причин, связанных с питанием, так и внутренних факторов. Организм весьма эффективно регулирует и контролирует всасывание различных элементов. При недостатке того или иного элемента в организме его всасывание возрастает, а при избытке – снижается. У людей с нормальным содержанием железа в организме из ЖКТ всасывается до 10 % вводимого железа, а при недостатке всасывание может увеличиваться до 29–71 % (в 2–7 раз). При недостатке в организме железа также усиливается всасывание кобальта (с 30 до 70 %).

При снижении содержания кальция в организме его всасывание может увеличиваться с 13 до 33 % (почти в 3 раза). Всасывание подавляющего большинства макро- и микроэлементов осуществляется с помощью белков-переносчиков (известны кальций-связывающий белок, цинк-связывающий белок и др.). На всасывание активно влияют другие пищевые вещества, которые могут усиливать всасывание или, напротив, его тормозить. Всасывание магния составляет в среднем 30 %.

При рационе с высоким содержанием белка всасывание увеличивается до 40 %, оно также возрастает под влиянием витамина D, кальция, алкоголя, антибиотиков и гормона роста. Всасывание кальция усиливают белки (лизин, аргинин), витамин D, фосфаты, лактоза, гормон роста. Снижается всасывание кальция под воздействием жиров, алкоголя, фитиновой кислоты (злаки).

Всасывание многих элементов меняется с возрастом. Всасывание железа у новорожденных может достигать 70 %, у детей до 10 лет оно уменьшается (до 10 %), а у взрослых составляет около 3 %. В пожилом возрасте всасывание железа снижается еще больше. Всасывание кальция также снижается с возрастом и у человека, и у животных.

Уровень всасывания зависит и от пола. Например, у мужчин в организм поступает 310–330 мг магния, а у женщин меньше – 270 мг. Эти различия отчасти могут быть связаны с меньшим объемом пищи, которые употребляют женщины. Однако отдельные, важные для женщин микроэлементы могут всасываться значительно лучше, чем у мужчин: у женщин железа всасывается примерно в 4 раза больше, чем у мужчин.

Всасывание во многом зависит от того соединения, в составе которого находится данный элемент (или валентности). Магний лучше всасывается, когда находится в составе глюконата, ацетата, лактата. Соли двухвалентного железа всасываются в 3–7 раз лучше, чем трехвалентного. Подавляющее большинство соединений микроэлементов, которые входят в состав препаратов или БАД, представляют собой легкоусвояемые формы.

4. Признаки и причины недостаточности элементов в организме

Недостаточность элементов в организме – это всегда системное состояние, которое касается многих органов и систем организма, поскольку каждый из элементов присутствует и участвует в работе практически каждого органа или клетки. Поэтому недостаточность даже одного элемента может проявляться системными нарушениями, но на первый план всегда будет выходить наиболее слабое звено.

С одной стороны, появление клинических признаков дефицита макро- и микроэлементов помогает выявить причину заболевания, с другой стороны, всегда необходимо иметь в виду, что патологический процесс, связанный с дефицитом элементов, гораздо шире и касается нарушений работы и других органов и систем организма.

Глубокая недостаточность элементов всегда будет связана с тяжелыми заболеваниями и часто может приводить к смерти. Более легкие проявления дефицита, хотя и не всегда приводят к болезни, но имеют отчетливые симптомы или внешние проявления (табл. 4).

Таким образом, дефициты элементов могут проявляться очень широким спектром нарушения обмена веществ и часто ведут к возникновению вполне определенных синдромов и заболеваний. Все эти признаки дефицита дают возможность использовать препараты макро- и микроэлементов для их коррекции.

Среди элементов, дефицит которых носит повсеместный характер, ВОЗ выделяет три наиболее значимых: йод, железо, цинк, а также 6 эссенциальных элементов: кобальт, марганец, медь, молибден, селен и хром.

Таблица 4. Клинические проявления дефицита элементов

Причины дефицита элементов в организме можно разделить на первичные (внешние) и вторичные (внутренние). Первичные – внешние причины недостаточности элементов обычно связаны с неполноценным или несбалансированным питанием. Отметим, что первичный дефицит элементов – явление объективное и обусловлено тем, что обычный, характерный для жителей большинства стран мира рацион, содержащий около 2000–2500 ккал, дефицитен не только по большинству витаминов, но и по некоторым микроэлементам. Основными внешними причинами дефицита макро- и микроэлементов являются следующие:

• недостаточное по объему питание;
• некачественное, несбалансированное питание, со сниженным содержанием элементов;
• религиозные запреты, пост, вегетарианство;
• природные геохимические условия – низкая обеспеченность почв микроэлементами.

Однако гораздо более важными являются эндогенные причины дефицита элементов:

• нарушение пищеварительной функции и всасывания элементов;
• нарушение утилизации элементов в организме;
• антагонизм элементов;
• повышенное выведение элементов с мочой при увеличении диуреза, прием диуретиков;
• прием слабительных препаратов, усиливающих потерю элементов с калом;
• прием лекарственных препаратов, нарушающих обмен веществ и метаболизм элементов;
• наследственные нарушения метаболизма элементов;
• увеличенная потеря и повышенная потребность в элементах, что связано с болезнью, повышенной физической активностью;
• период интенсивного роста, беременность, лактация;
• пожилой возраст – уменьшение усвояемости элементов.

Вместе с тем не следует забывать, что использование препаратов, в которые входят различные элементы, бессистемно и в большом количестве чревато серьезными негативными последствиями, т. к. можно перегрузить организм теми или иными элементами, а такая перегрузка представляет еще большую опасность, чем дефицит элементов. То же касается использования продуктов питания, обогащенных различными микроэлементами, прежде всего, такими, которые быстро усваиваются организмом, например йодом.

Во многих регионах страны с продуктами питания в организм может поступать избыточное количество железа, меди, никеля, фтора, стронция и тяжелых металлов, которые могут вызвать нарушения работы органов и систем организма или заболевания.

При использовании препаратов, которые содержат макро- и микроэлементы, необходимо строго следовать имеющимся инструкциям и рекомендациям по применению.

Нормы адекватного уровня потребления макро- и микроэлементов показаны в табл. 5.

Таблица 5. Нормы адекватного уровня потребления макро- и микроэлементов и предельно допустимый уровень потребления

Нормативы суточной потребности для макро- и микроэлементов разработаны для всех основных возрастных групп и категорий (табл. 6).

Как видно из представленных в табл. 6 данных, не учитываются всасывание различных элементов и особенности метаболизма. Потребности рассчитаны на «среднего» человека, у которого идеально работает пищеварительная система.

Для каждого человека есть свой индивидуальный оптимум потребности в отношении каждого элемента. Также известно, что высокие дозы любого элемента могут быть токсичными для организма.

Таблица 6. Рекомендуемая суточная потребность в основных макро- и микроэлементах

Выделяют токсичные элементы, негативно влияющие на организм, в концентрациях, близких к биологической: стронций, свинец, алюминий, мышьяк, сурьма, бериллий, серебро, золото.

Понятие «токсичный элемент» является достаточно условным. Токсичные элементы являются эссенциальными (необходимыми) для организма человека. Известно, что ртуть является весьма токсичным элементом, ее поступление может колебаться от 2 до 31 мкг/сут, что угнетает многие ферменты.

Однако в малых количествах ртуть повышает фагоцитарную активность лейкоцитов и увеличивает иммунную активность организма. Мышьяк во многих процессах может заменить фосфор. Недостаток мышьяка приводит к снижению рождаемости и угнетению роста, добавление к пище арсенита натрия ведет к увеличению скорости роста крыс. Дефицит свинца может приводить к анемии.

Для оценки безопасности элементов большое значение имеют данные об уровне токсичности элементов при поступлении их в составе пищевого рациона с препаратами или БАД. При этом необходимо учитывать, что между максимальной физиологической и минимальной токсической дозой могут существовать крайне малые интервалы (табл. 7).

Таблица 7. Дефицитный уровень, оптимум и порог токсичности отдельных элементов (мг/сут)

* Отношение порога токсичности к максимальному значению оптимальной потребности.

** Отношение кратности к проценту всасывания.

Как видно из данных табл. 7, для представленных элементов существует разный порог токсичности по отношению к оптимальному и реальному уровню однократного или очень короткого по продолжительности поступления элементов в организм. Но для отдельных элементов этот порог является небольшим: кадмий, кремний, литий, марганец, олово, фтор, хром.

Однако это лишь половина проблемы потенциальной опасности элементов. Необходимо учитывать всасывание, уровень которого для разных элементов различается. С этих позиций наиболее опасным элементом является фтор, который полностью (на 100 %) всасывается в кровь при поступлении с водой и пищей. Не случайно при фторировании воды повсеместно столкнулись с фторидной интоксикацией. Поэтому с учетом коэффициента всасывания общая картина опасности элементов будет выглядеть иначе.

Опасными элементами, имеющими крайне низкий порог токсичности, в случае постоянного или продолжительного поступления в организм с пищей являются (по рейтингу опасности: фтор–литий–олово–кремний–ртуть–хром–селен– йод–кадмий–марганец–цинк–железо. У всех этих элементов коэффициент опасности (отношение кратности токсического эффекта к коэффициенту всасывания) будет меньше 1,0. С другой стороны, имеются элементы, имеющие высокий порог токсичности: кобальт, алюминий, никель, медь.

Даже такие известные «токсичные» элементы, как свинец и мышьяк, имеют высокий порог токсичности, если они поступают в организм в физиологически оптимальных количествах. Но в реальной жизни они могут присутствовать в продуктах питания и в окружающей среде в гораздо большем, чем оптимальный уровень, количестве (как и другие тяжелые металлы).