Микроэлементы

§ 1. Содержание химических элементов в организме. Макро- и микроэлементы

Живые организмы имеют особый химический состав, отличающий их от объектов неживой природы. Это проявляется, прежде всего, в различиях строения и количественного соотношения химических веществ. Однако вещества, входящие в состав организмов, образованы атомами тех же химических элементов, из которых состоят объекты неживой природы. В живых организмах массовая доля одних элементов достигает 10 % и более, других содержится меньше, а некоторые присутствуют в исключительно малых количествах.

Макроэлементы. Химические элементы, содержание которых в живых организмах составляет более 0,01 %, называются макроэлементами. В живой природе наиболее распространены четыре макроэлемента: кислород (О), углерод (С), водород (Н) и азот (N). Их суммарная массовая доля превышает 98 %. Эти элементы являются основой строения органических соединений. Помимо этого, водород и кислород входят в состав воды.

Молекулы многих органических веществ также содержат атомы серы (S) и фосфора (Р). Кроме того, к макроэлементам относятся натрий (Na), калий (K), магний (Mg), кальций (Ca) и хлор (Cl).

У человека ключевую роль в осуществлении таких процессов как свертывание крови, сокращение мышц, проведение нервных импульсов и многих других, играет кальций. Совместно с фосфором этот макроэлемент обеспечивает нормальное развитие и функционирование костей и зубов. В организме взрослого человека содержится приблизительно 1,7 кг кальция, причем около 99 % — в костной ткани.

*Содержание кальция в организме регулируется рядом гормонов, причем ведущую роль играют гормоны паращитовидных и щитовидной желез.* Потребность в кальции зависит от возраста человека. Так, для взрослых людей и детей в возрасте от 4 до 8 лет она составляет 800—1000 мг в сутки, а для подростков — 1300 мг (подумайте почему). Довольно много кальция содержится в молочных продуктах, зерновых, бобовых, орехах, капусте

Усвоению этого важного элемента способствуют витамин D (вспомните его основные источники), молочный сахар — лактоза, а также ненасыщенные жирные кислоты, которыми богаты растительные масла, рыба, авокадо и др. 

Более подробная информация о содержании макроэлементов в живых организмах и их биологической роли приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Макроэлементы

Содержание макроэлементов в органических удобрениях

Органические удобрения содержат значительное количество макроэлементов и являются важным средством для воспроизводства плодородия почв и роста продуктивности земледелия. Содержание макроэлементов в органических удобрениях колеблется от долей процента до нескольких процентов и зависит от многих природных факторов.

Полупревший подстилочный навоз

Торф, в зависимости от вида, содержит от 0,1 до 3,3% различных макроэлементов.

Птичий помет, особенно куриный, является важным источником макроэлементов. Их содержание в нем для различных элементов колеблется от 0,2 до 2,4 %.

Микроэлементы и механизмы замещения

При нормальном функционировании всех органов, организм получает необходимые элементы из окружающей среды именно в том количестве, в котором это необходимо. Но что будет, если необходимый элемент не будет поступать в организм? Рассмотрим это на простом примере.

К микроэлементам относятся кальций и его соединения, которые необходимы для формирования костной ткани. Если это вещество организм не будет получать в достаточном количестве, он будет замещать его другим, структура которого максимально подобна химическому строению недостающего элемента. Так, распространенным микроэлементом из группы кальция является стронций-90. Его радиоактивный изотоп содержится в почве и атмосфере больших промышленных городов. И если в организме не будет хватать кальция, то именно стронций-90 – наиболее вероятный кандидат на замену. Чем чревато такое замещение?

Стронций будет накапливаться в организме по тому же механизму, что и кальций – в костях, зубах, волосах и кровеносных сосудах, вызывая различные болезни, и провоцируя образование злокачественных опухолей. Если же человек вовремя переключится на здоровое питание, то вредоносный стронций постепенно вымоется из организма, уступая свое место кальцию.

Польза микроэлементов для человека

Почти все биохимические процессы зависят от баланса микроэлементов. И хотя их необходимое количество определяется микрограммами, но роль этих нутриентов огромная. В частности, от микроэлементов зависит качественный процесс обмена веществ, синтезирование ферментов, гормонов и витаминов в организме. Эти микровещества укрепляют иммунитет, способствуют кроветворению, правильному развитию и росту костной ткани. От них зависит баланс щелочи и кислот, работоспособность половой системы. На уровне клеток – поддерживают функциональность мембран, в тканях – способствуют кислородному обмену.

Ученые говорят, что химический состав жидкости в клетках человеческого организма напоминает формулу морской воды в доисторическую эпоху. Достигается это путем комбинирования важных микроэлементов. И когда организм испытывает нехватку того или иного вещества, он начинает «высасывать» их сам из себя (из тканей, где накопились нутриенты).

Микро- и макроэлементы: в чем разница

Среди перечня есть и макроэлементы, и микроэлементы.

В основном это деление связано со степенью содержания элементов в организме:

• Макроэлементы содержатся в концентрации выше 0,01%. Это кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, калий, натрий, сера, хлор, магний.
• Микроэлементы присутствуют в нашем организме в концентрации от 0,00001% до 0,01%. Это железо, цинк, фтор, стронций, молибден, медь, бром, кремний, цезий, йод, марганец, алюминий, свинец, кадмий, бор и другие.

Также выделяют ультрамикроэлементы концентрацией ниже 0,00001%. Это селен, кобальт, ванадий, хром, никель, литий, барий, серебро и другие.

Установлено важное значение для организма многих элементов из группы микро- и ультрамикроэлементов. Так, дефицит макроэлементов (калия или кальция, например) человек способен достаточно долго не замечать и более-менее нормально переносить

Но даже небольшое отклонение в содержании микро- и ультрамикролементов вызывает серьезные проблемы.

Это объясняется важной ролью микроэлементов в нашем организме:

• железо переносит кислород по тканям;
• медь поддерживает обменные процессы;
• марганец влияет на обновление клеток;
• йод необходим для нормального функционирования щитовидной железы;
• цинк участвует в формировании кровяных телец;
• хром поддерживает здоровье нервной системы;
• селен необходим для поддержания иммунитета.

Микроудобрения: роль в жизни растений

Роль микроэлементов в жизни растений чрезвычайно важна, хотя потребность в них не исчисляется большими количествами. Они участвуют в биохимических процессах (фотосинтез, биосинтез хлорофилла, транспорт сахаров), влияют на деятельность ферментов, углеводный и азотистый обмен. Даже незначительные добавки микроудобрений могут оказывать благотворное действие, улучшая защитные свойства культур, их устойчивость к климатическим особенностям (засухо-, жаро- и холодостойкость), поражению заболеваниями. У растений, получивших своевременное и полное обеспечение микроэлементами, активизируются обменные процессы, отмечается повышенное содержание углеводов (крахмала и сахаров), белков, накопление витаминов, жиров.

Не всегда и не сразу дефицит того или иного минерала может выражаться во внешних проявлениях. В некоторых случаях установить нехватку элементов питания можно только с помощью лабораторных исследований почвенного состава. Необходимо также учитывать обоюдное влияние макро- и микроэлементов на рост и развитие растений. Недостаток одного из компонентов органического питания негативно влияет на степень доступности минералов и их усваиваемости растительными организмами. Наблюдается и обратная связь, когда нехватка микроэлемента вызывает избыточное или недостаточное накопление органических веществ в культурах, что также может негативно отразиться на их развитии.

Антагонизм и синергизм макро- и микроэлементов

Немаловажный фактор, который следует учитывать при определении доступности того или иного вещества – это взаимодействие элементов питания между собой. Макро- и микроэлементы находятся в тесном взаимодействии друг с другом. Поэтому главным фактором, обеспечивающим нормальный рост, развитие и функционирование культур, является соблюдение правильного баланса химических составляющих в питательной среде и в самом растении. Всем культурам, в зависимости от их жизненного цикла, генотипических особенностей их биохимического состава и окружающей среды, требуется определенное соотношение питательных веществ

Этот баланс имеет более важное значение, чем фактическая концентрация отдельных элементов в питательном растворе. Ни один химический элемент в природе не действует изолированно от других

При этом правильное соотношение микроэлементов в питании с учетом их взаимодействия между собой является не менее значимым и сложным, чем баланс макроэлементов. Чтобы обеспечить растения сбалансированным составом элементов, необходимо учитывать не только их физиологическую роль в жизни культур по отдельности, но и оказываемое влияние на растительный организм в результате их совместного действия.

Роль в растении

Биохимические функции

Высокий урожай любой сельскохозяйственной культуры возможен только при условии полноценного и достаточного питания. Кроме света, тепла и воды, растениям необходимы питательные вещества. В состав растительных организмов входит более 70 химических элементов, из них 16 абсолютно необходимых – это органогены (углерод, водород, азот, кислород), зольные микроэлементы (фосфор, калий, кальций, магний, сера), а также железо и марганец.

Каждый элемент выполняет в растениях свои функции, и заменить один элемент другим совершенно невозможно.

Из атмосферы

• Углерод поглощается из воздуха листьями растений и немного корнями из почвы в виде двуокиси углерода (CO₂). Является основой состава всех органических соединений: жиров, белков, углеводов и прочих.
• Водород потребляется в составе воды, крайне необходим для синтеза органических веществ.
• Кислород поглощается листьями из воздуха, корнями из почвы, а также выделяется из состава других соединений. Необходим как для дыхания, так и для синтеза органических соединений.

Следующими по значимости

• Азот – важнейший элемент для развития растений, а именно, для образования белковых веществ. Его содержание в белках варьирует от 15 до 19 %. Он входит в состав хлорофилла, а значит, участвует в фотосинтезе. Азот обнаруживается в ферментах – катализаторах различных процессов в организмах.
• Фосфор присутствует в составе ядер клеток, ферментов, фитина, витаминов и прочих не менее важных соединений. Участвует в процессах преобразования углеводов и азотосодержащих веществ. В растениях он содержится как в органической, так и в минеральной форме. Минеральные соединения – соли ортофосфорной кислоты – применяются при синтезе углеводов. Растения используют и органические фосфорные соединения (гексофосфаты, фосфатиды, нуклеопротеиды, сахарофосфаты, фитин).
• Калий играет важную роль в белковом и углеводном обмене, усиливает эффект от использования азота из аммиачных форм. Питание калием – мощный фактор развития отдельных органов растений. Этот элемент благоприятствует накоплению сахара в клеточном соке, что повышает устойчивость растений к неблагоприятным природным факторам в зимний период, способствует развитию сосудистых пучков и утолщает клетки.

Следующие макроэлементы

• Сера входит в состав аминокислот – цистеина и метионина, играет важную роль как в белковом обмене, так и в окислительно-восстановительных процессах. Положительно влияет на образование хлорофилла, способствует образованию клубеньков на корневой части бобовых растений, а также клубеньковых бактерий, усваивающих азот из атмосферы.
• Кальций – участник углеводного и белкового обмена, оказывает положительное влияние на рост корней. Остро необходим для нормального питания растений. Известкование кислых почв кальцием обеспечивает повышение плодородия почвы.
• Магний участвует в фотосинтезе, его содержание в хлорофилле достигает 10 % от его общего содержания в зеленых частях растений. Потребность в магнии у растений неодинакова.
• Железо в состав хлорофилла не входит, однако участвует в окислительно-восстановительных процессах, крайне важных для образования хлорофилла. Играет большую роль в дыхании, поскольку является составной частью дыхательных ферментов. Оно необходимо как зеленым растениям, так и бесхлорофильным организмам.

Недостаток (дефицит) макроэлементов в растениях

О дефиците того или иного макроэлемента в почве, а следовательно, и в растении отчетливо свидетельствуют внешние признаки. Чувствительность каждого вида растений к недостатку макроэлементов строго индивидуальна, однако имеются и некоторые схожие признаки. Например, при недостатке азота, фосфора, калия и магния страдают старые листья нижних ярусов, при нехватке кальция, серы и железа – молодые органы, свежие листья и точка роста.

Особенно отчетливо недостаток питания проявляется у высокоурожайных культур.

Способы применения микроудобрений и удобрений, содержащих микроэлементы

Микроудобрения применяют для внесения в почву, некорневых подкормок и предпосадочной обработки семян. Дозы микроудобрений малы. Это требует высокой точности дозирования и равномерности внесения.

Внесение в почву

• образование трудно растворимых форм микроэлементов,
• вымывание микроэлементов за пределы корнеобитаемого слоя.

Не рекомендуется вносить в почву дорогостоящие виды микроудобрений, особенно осенью. В данном случае лучше использовать различные макроудобрения, модифицированные микроэлементами, труднодоступные промышленные отходы и удобрения пролонгированного действия.

Недостаток минеральных веществ в организме — симптомы

Дефицит минералов способствует развитию таких состояний, как:

• Потускнение, сечение и ухудшение здоровья волос, ногтей, кожи;
• Организм становится более уязвимым к различным заболеваниям, прежде всего – инфекционного характера;
• У детей наблюдается отставание в умственном развитии;
• Отставание в росте ребенка;
• У новорожденных могут наблюдаться различные врожденные патологии;
• Бесплодие.

Основными причинами, которые способствуют недостатку минеральных веществ в организме являются:

• Злоупотребление алкоголем;
• Однообразное и нерегулярное питание, некачественная питьевая вода;
• Бесконтрольный прием лекарственных препаратов;
• Различные заболевания и патологические состояния – потеря крови, обезвоживание, заболевания желудочно-кишечного тракта (дисбактериоз, энтероколит, панкреатит), гиповитаминозы (дефицит витаминов).

Избыток микроэлементов в организме человека.

Важно не только адекватное поступление микроэлементов, но и их определенный баланс в организме. Иначе начнутся проблемы со здоровьем

Переизбыток полезных микроэлементов может стать причиной серьезных нарушений в организме, а в некоторых случаях — и смертельного исхода. При этом ситуацию ухудшает и тот факт, что сейчас огромное количество БАДов, в которых есть микроэлементы, предлагается без рецептов. В результате получить передозировку становится достаточно просто.

Жители мегаполисов страдают как правило, от избытка в организме тяжелых металлов: свинца, мышьяка, кадмия, ртути, хрома, никеля. Ни для кого не секрет, что тяжелые металлы опасны для здоровья. Например, накопление ртути в организме происходит незаметно, исподволь, поэтому ртуть так и коварна, что при отравлении ею не появляется каких-либо конкретных, ярко выраженных симптомов. Результатом такого отравления, может быть нарушение речи, нервозность, появление состояния страха, сонливость, лейкопения (уменьшение количества лейкоцитов в крови).

Главное запомните: микроэлементы требуются для всех организмов лишь в оптимальных количествах. Длительный дефицит или, напротив, избыток какого-либо элемента ведет к нарушению обмена веществ и заболеваниям, поэтому особое значение приобретает сбалансированность питания по минеральному составу.

Макроэлементы

К ним относятся: Калий (К), Кальций (Ca), Кремний (Si), Магний (Mg), Натрий (Na), Сера (S), Фосфор (P), Хлор (Cl).

• обеспечивает правильный кислотно-щелочной баланс в организме человека. Продукты наиболее богатые этим компонентом: Бананы, цитрусовые, пшеничные отруби, фасоль. Однако избыток Калия может привести к дефициту Кальция, поэтому не стоит перебарщивать.

• макроэлемент участвующий во многих процессах в организме, основной элемент костной ткани. Продукты богатые данным макроэлементом: Молоко и молочные продукты, мак, кунжут, шпинат.

• элемент который отвечает за эластичность кожи и сухожилий. Недостаток данного элемента встречает очень редко, однако при его недостатке появляется зуд, наблюдается плохое заживление ран, а также снижается эластичность кожи. Продукты богатые данным элементом: Куриные яйца, рыба, овес, гречка.

• элемент который регулирует нервную систему человека, и участвует в построении костной ткани. Источником магния являются необработанные зерновые, фундук, агар-агар.

• был открыт в одно время с Калием, эти два элемента являются антагонистами друг друга (к примеру при увеличении натрия уменьшается калий, и наоборот). Натрий принимает активное участие в выработке необходимой буферной крови, участвует в регулировке водного обмена организма. Данный элемент содержится в: соли, соевом соусе, оливках, каперсах.

• является неотъемлемой частью некоторых витаминов и гормонов, входит в состав некоторых важных белков. Если серы в организме недостаточно, то наблюдается выпадение волос, а в некоторых случаях тахикардия. Содержится в: грецком орехе, миндале, фасоли.

• важный элемент для построения белков, нуклеиновых кислот, а также костной ткани. При переизбытке фосфора в организме происходит острое отравление. Фосфор в большом количестве содержится в семенах тыквы и подсолнуха, в молоке и молочных продуктах, а также в рыбе.

• Хлор (Cl)

  макроэлемент участвующий в формировании желудочного сока, а так же в образовании плазмы крови. Содержится в соли, хлебе, томатной пасте и твороге.

Совместимость

Сочетание различных микро- и макроэлементов, а также витаминов может усиливать действие каждого из них (синергизм), или наоборот угнетать (антагонизм). В некоторых случаях данные вещества могут оказывать то или иной действие на организм без дополнительного влияния друг на друга.

Поэтому, в зависимости от состояния человека, врач или диетолог назначает конкретные дозы тех или иных витаминов и минералов.

Воздействие друг на друга витаминно-минеральных веществ

Благотворное воздействие (синергизм)

• Железо лучше усваивается организмом при одновременном его применении с витамином А (ретинол);
• Прием селена усиливает действие витамина Е (токоферола);
• Цинк благотворно воздействует на усвоение витамина D;
• Магний и витамин В6 в сочетании взаимоповышают свою активность, кроме того, Mg повышает усвоение организмом и других витаминов группы В.
• Йод участвует в транспорте гормонов и натрия.

Негативное воздействие (антагонизм)

• Одновременный прием железа с медью блокируют усвоение организмом витамина В12;
• Фосфор понижает активность в организме кальция;
• Витамин В9 способствует ухудшению транспорта по организму цинка.
• Повышенные дозы кальция, магния и цинка препятствуют усвоению железа.

Макроэлементы, не обеспечивающие энергией

вода

вода это самое важное вещество для жизни на Земле. Он обеспечивает среду, в которой все метаболические процессы продолжить

Таким образом, это необходимо для поглощения макроэлементы, но сам по себе не имеет пищевой ценности. Вода часто содержит встречающиеся в природе микроэлементы такие как кальций и соли, и другие могут быть введены в систему водоснабжения, например хлор и фторид для различных целей, таких как санитария или здоровье зубов.

Волокно

Пищевые волокна или грубые корма, которые в основном содержатся в овощах (и фруктах), но нет никаких доказательств того, что они необходимы для здоровья и нормального функционирования пищеварительная система человека..

Физические и химические свойства

Микроэлементы различны по своим физическим и химическим свойствам. Среди них встречаются металлы (цинк, медь, марганец, кобальт, ванадий, молибден), неметаллы (бор), галогены (йод).

Необходимые

• без элемента не может завершиться жизненный цикл растения;
• физиологические функции, выполняемые с участием конкретного элемента, не осуществляются при его замене на другой элемент;
• элемент обязательно вовлекается в метаболизм растения.

Однако существует ряд условностей в использовании данного термина. Дело в том, что сложности с его применением возникают уже при сравнении необходимости того или иного элемента для жизни высших и низших растений и, тем более, животных и человека. Так, например, не доказана необходимость бора для некоторых грибов, спорна необходимость наличия кобальта для осуществления физиологических функций целого ряда растений. К бесспорно необходимым элементам относят марганец, цинк, медь, молибден, бор, хлор, никель.

Основные микроэлементы

Нашему организму микроэлементы не нужны в большом количестве, но их недостаток может привести к проблемам со здоровьем.

Железо — ключевой элемент гемоглобина, который участвует в образовании красных кровяных телец в костном мозге. Дефицит этого элемента способствует развитию анемии. В сочетании с витамином C усвояемость железа увеличивается. Железо содержится в таких продуктах, как: мясо, орехи, креветки, яйца, крапива, творог, молоко, бобовые, брокколи, шпинат, рыба.

Цинк — микроэлемент, который активирует несколько десятков различных ферментов и поддерживает работу иммунной системы. Без него невозможно правильно усвоить углеводы, белки, жиры и алкоголь. Защищает от вредного воздействия окислителей. Он также стоит на страже красивых волос, кожи и ногтей. Это элемент, связанный с гормоном роста. Цинк содержится в таких продуктах, как яичный желток, цельнозерновые продукты, орехи и семена, нежирное мясо и молоко, а также морепродукты.

Медь принимает участие в образовании костей и коллагеновых волокон. Этот микроэлемент отвечает за правильные процессы заживления ран. Медь содержится в таких продуктах, как орехи, бобовые, птица, печень, яичные желтки, телятина, мидии, рыба, гречка.

Марганец — это элемент, который необходим для построения костей и кожи. Без него невозможно нормальное функционирование центральной нервной системы. Его недостаток может не только замедлить физическое развитие, но также поспособствовать дефектам костной ткани.

Йод — это элемент, который контролирует энергетические преобразования в организме, наибольшее количество которых необходимо для правильного функционирования щитовидной железы. Дефицит этого элемента способствует образованию зоба. Йод необходим для правильного роста и половой зрелости, его можно найти в таких продуктах, как соль, морская рыба, морепродукты, водоросли, дрожжи и лук.

Фтор стоит на страже крепких зубов и костей, укрепляет не только эмаль, но и дентин, а также снижает риск возникновения кариеса. Правильное количество фтора делает эмаль менее склонной к разрушению.  Фтор содержится в таких продуктах, как черный чай, грецкие орехи, соевые бобы, минеральная вода, морская рыба и морепродукты, печень, молоко, бобовые.

Растущий организм ребенка нуждается в постоянном поддержании баланса микро- и макроэлементов, особенно в раннем периоде активного развития, в так называемые «критические окна роста». Последствия этого будут заметны как в ближайшие годы, так и на протяжении всей жизни. Несбалансированный состав питания может оказывать неблагоприятное влияние на процессы физического роста и развития, а также на созревание всех функций головного мозга, сознание и поведение ребенка.

Если рацион ребенка будет содержать оптимальное количество макро- и микроэлементов, расти можно с удовольствием!

Углеводы

В вашем рационе углеводов являются наиболее важными поставщиками энергии с точки зрения умственной и физической активности. Моносахариды, или простые сахара, являются краеугольнымикамнями категории углеводов. Углеводы дифференцируются по длине цепи на следующие группы:

• Моносахариды: глюкоза (кукурузный сахар), фруктоза (фруктовый сахар), галактоза (молочный сахар)
• Дисахариды: сахароза, лактоза
• Олигосахариды: мелитоза
• Полисахариды (он же сложные углеводы): амилопектин (растительный крахмал), гликоген (животный крахмал), инулин

Углеводы хранятся в организме в двух формах: как гликоген в печени (⅓) и в скелетных мышцах (⅔). Ваши запасы гликогена обеспечивают вас энергией во время физической активности. Эти магазины пополняются, когда вы едите пищу, богатую углеводами.

Рекомендуется, чтобы углеводы составляли 50% ежедневного потребления калорий. Вы должны стараться отдавать предпочтение сложным углеводам, когда это возможно. Это потому, что они не приводят к скачкам сахара в крови, которые могут быть у простых углеводов. Кроме того, сложные углеводы дольше сохраняют ощущение полноты. Также, они богаты минералами и обеспечивают твердую дозу клетчатки. Более того, сложные углеводы положительно влияют на здоровье вашего кишечника и могут помочь снизить уровень холестерина.