Биологическая роль цинка

β-Лактамаза, выделенная из Bacillus cereus, катализирует гидролиз β –лактамного кольца пенициллинов и цефалоспоринов. Она является единственной из известных к настоящему времени β–лактамаз, требующей для проявления каталитической активности присутствия иона металла. В молекуле фермента содержится два иона Zn2+. Установлено, что в связывании одного из них участвует лишь остаток цистеина, а другого – три гистидиновые группы. Провести идентификацию других лигандов пока не удалось.

В Са2+–зависимом ферменте α–амилазе также содержится цинк, который связывает между собой две субъединицы. В отсутствие ионов Zn2+ фермент образует равновесную систему: мономер димер. [12]

Единственными флавопротеинами, содержащими цинк, являются D-лактатдегидрогеназы бактерий и млекопитающих. Это ферменты, катализирующие взаимопревращения пировиноградной и молочной кислот.

D-лактатдегидрогеназа представляет собой димер, субъединица которого имеет М=55 000 г . моль-1, с одной нековалентно связанной молекулой ФАД, присоединяющей 1 ион Zn2+.

К числу дегидрогеназ относится и алкогольдегидрогеназа, содержащаяся в печени млекопитающих и дрожжах. Она катализирует конечный этап брожения – обратимое восстановление уксусного альдегида до этанола. Моль этого фермента содержит 4 моль ионов Zn2+.

Представляет интерес тот факт, что геморрагическая активность токсина из яда гремучей змеи Crotalus atrox коррелирует с его протеолити-ческой активностью и содержанием в нем цинка. На этом основании можно сделать вывод, что подобные белковые токсины являются цинк–зависимыми протеазами.

2. Роль цинка в организме человека и его дифицит

 

Определенную роль играет цинк в углеводном обмене; по-видимому, ионы Zn2+, участвуя в образовании гексамеров инсулина из трех димеров (в количестве 2 иона Zn2+ на гексамер), стабилизируют его структуру. Кроме того, они ингибируют фермент инсулиназу, который катализирует разрушение инсулина в тканях, удлинняя тем самым время физиологического действия инсулина. Цинк принимает участие в процессах деления и дифференцировки клеток, функционировании полового гормона дигидрокортикостерона.

Установлено также активирующее действие ионов цинка на биосинтез витаминов С и В; они усиливают всасывание в ЖКТ и обеспечивают поддержание нормальной концентрации в крови витамина Е, стимулирование фагоцитарной активности лейкоцитов, содержащих цинксвязывающие белки, формирование клеточного иммунитета.

Проявлениями дефицита цинка в организме человека являются карликовость, выражающаяся в задержке роста и полового развития в молодом возрасте, текстикулярная атрофия6, нарушение сперматогенеза, астрального цикла – в зрелом возрасте, а также анемия. Ежедневное введение в рацион 20 мг сульфата цинка приводит к ускорению роста, увеличению массы тела, развитию вторичных половых признаков. Все это свидетельствует о существенном значении цинка для растущего организма. Цинк играет первостепенную роль в процессах регенерации кожи, роста волос и ногтей, а также при заживлении ран, в секреции сальных желез. Немаловажную роль играет он и в метаболизме алкоголя, поэтому недостаток цинка может повышать предрасположенность к алкоголизму. Кроме того, дефицит цинка может быть причиной нарушения процессов формирования костей: утолщения и укорочения трубчатых костей, уменьшения количества остеобластов7. Отмечаются также поражения кожи и слизистых оболочек: тяжелые дерматиты, облысение, развитие гиперкератоза слизистой оболочки пищевода. Указанные нарушения могут быть объяснены следующими установленными фактами:

– снижением синтеза РНК и белка в связи с тем, что цинк, входя в состав РНК, стабилизирует ее структуру. Кроме этого он снижает активность рибонуклеазы, поэтому при дефиците цинка повышается скорость распада РНК;

– торможением синтеза ДНК, так как цинк необходим для ее репликации;

нарушением белкового обмена в связи с необходимостью участия цинка в процессах включения глицина в глутатион8, метионина9 — в тканевые белки и в метаболизме цистеина.

 

Рис. 6. Содержание цинка в различных продуктах питания.

 

Важную роль играет всасываемость цинка. Он всасывается в основном в верхнем отделе тонкого кишечника и зависит от белкового состава пищи, содержания в ней кальция, от природы соединений цинка; например, лучше всасываются сульфаты, карбонаты в отличие от сульфитов, фосфатов. Хорошо всасывается цинк из козеина (до 94%), т. е. при богатой белком диете; хуже усваивается при высоком содержании растительных белков — сои, бобовых. Содержание цинка в различных продуктах питания (по Каломийцевой и Габовичу) представлено на рис. 6.

Несмотря на то, что цинк является жизненно необходимым элементом, многие его соединения, особенно хорошо растворимые соли, токсичны. При попадании на кожу они оказывают раздражающее действие, а при поступлении внутрь организма вызывают отравление. Метаболизм цинка регулируется синтезом металлотионеинов в кишечнике и печени, которые контролируют его переходы из мукоцитов в кровь и из крови в печень. Эти металлотионеины, на 1/3 образованные цистеином, имеют М= 6600 г . моль-1, одна молекула белка связывает 6 ионов Zn2+.

Металлотионеины являются как бы промежуточным аккумулятором ионов Zn2+, которые затем легко передаются белкам цинксодержащих ферментов.

Токсичность цинка может быть уменьшена добавлением железа для повышения его концентрации в плазме, но в пределах физиологических границ.

Из токсичных соединений цинка следует назвать оксид цинка. Вдыхание воздуха, содержащего высокодисперсный ZnO, может вызвать так называемую «литейную лихорадку», симптомы которой — озноб, головная боль, тошнота, кашель. Предельно допустимое содержание оксида цинка в воздухе 5 мг . м-3.

Влияние избытка цинка на организм человека сказывается уже при малых концентрациях. При содержании его в питьевой воде в пределах 15 . 10-4 % ощущается неприятный вкус, выше 40 . 10-4 % появляются рвота и растройство желудка.

При избыточном поступлении цинка в организм или при нарушении его обмена могут наблюдаться и другие негативные изменения в жизнедеятельности организма человека, такие, как:

— нарушения функции иммунной системы;

— болезненная чувствительность желудка, тошнота;

— ослабление функций предстательной и поджелудочной желез, печени.

Цинк влияет на адсорбцию кальция в организме, если его поступление избыточно или недостаточно. При нормальном содержании кальция (800 мг/сут.) цинк на его обмен влияния не имеет. При отравлениях цинком наблюдаются анемия, снижение гемоглобина в крови, а также содержаний железа и меди. Нормализация состава крови достигалась ее переливанием или длительным лечением.

Эффективно влияет на минеральный обмен повышенное содержание витамина С. Избыток Zn2+ выводится ЭДТА в виде комплекса.

 

Функциональными антагонистами цинка являются медь, кадмий, свинец, особенно на фоне дефицита белка.

Повышенное поступление фитатов, фосфатов, избыток кальция, прием кортикоидов, оральных контрацептивов, анаболиков, антиметаболитов, диуретиков, алкоголя, иммуносупрессоров могут привести к дефициту цинка в организме.

 

5. СОЕДИНЕНИЯ ЦИНКА, ПРИМЕНЯЮЩИЕСЯ  
   В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

К ним относятся:

сульфат цинка ZnSО4 — в виде 0,1—0,5 %-х водных растворов как глазные капли, в качестве антисептического и вяжущего средства при конъюнктивитах, хроническом катаральном ларингите, уретритах и вагинитах; используется для определения свертываемости крови;

хлорид цинка ZnCl2 — для прижигания папиллом в стоматологии, лечения воспалений слизистой оболочки рта, при диабете как компонент суспензии, содержащей инсулин и протамин;

оксид цинка ZnO — в стоматологии как компонент цементов, в составе мазей, в качестве вяжущего и дезинфицирующего средства для лечения грибковых заболеваний кожи и чесотки, в том числе в составе препаратов «Цинкундан»10 и «Новоциндол»11, а также как ранозаживляющее и противовоспалительное средство при лечении трофических язв в составе препарата «Цинкасол»12;

стеарат цинка (C17H35COO)2Zn — в качестве присыпок;

глюконат, аспарагинат, пиколинат и другие органические соли цинка применяются в дерматологии, эндокринологии, при лечении иммунодефицитных состояний.

 

6. ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О ЦИНКЕ

Некоторые исследователи связывают токсикозы во время беременности с дефицитом цинка.

Один из показателей небольшого дефицита цинка в организме человека – появление белых пятен на ногтях.

Подорожник – индикатор нахождения цинка в почве.

Большую потребность в цинке испытывают люди, которые часто злоупотребляют алкоголем (алкоголь вытесняет цинк).

Высокогорное растение ярутка из семейства крестоцветных способно поглощать цинк и кадмий из почвы, обработанной сточными водами, лучше, чем капуста, редис, ложечница.

По наблюдениям американских ученых, ярутка лучше удаляет цинк и кадмий из почв вблизи старого цинкоплавильного завода в штате Мэриленд, чем смолевка широколиственная и томат обыкновенный, также считающиеся сверхнакопителями металлов.

В волосах больных с обширными ожогами содержится пониженное количество цинка.

Очень большое количество цинка находится в молодых зеленых березовых листьях. Их можно заваривать как чай (1 столовая ложка на стакан кипятка).

Устрица - концентрат цинка. Содержание цинка в ней достигает 0,7% (в сухом веществе).

К моменту нереста рыб цинк из тканей тела рыб-самцов переходит в их молоки.

Растения-накопители цинка издавна используются для лечения кожных заболеваний и в качестве ранозаживляющих средств. Это береза повислая, чистотел большой, череда трехраздельная, фиалка трехцветная.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цинк – один из наиболее важных жизненно необходимых биоэлементов. Цинк присутствует во всех органах, тканях, жидкостях и секретах организма. Но концентрируется в эритроцитах, в виде металлофермента карбоангидразы, в поджелудочной железе, печени и кишечнике, в виде карбоксипептидазы.

Организм человека, особенно в период роста и развития, нуждается в адекватном поступлении цинка. При нормальных условиях человек потребляет 10 – 15 мг цинка в день, из которых усваивается 50 % в период же роста и развития потребность в цинке в 1,5–3 раза выше.

При недостаточном поступлении цинка в период роста и развития наблюдается задержка роста, физического и умственного развития, заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, выпадением волос, ухудшением памяти, снижением внимания, наблюдается угнетение процессов сперматогенеза.

Однако, для организма вреден и избыток этого элемента. При передозировке цинка наблюдаются приступы слабости, опасность отравления.

Важно помнить, что дефицит любого элемента легче предотвратить, чем в дальнейшем столкнутся с нежелательными последствиями его недостатка. Поэтому питание человека должно быть сбалансированным и правильным.

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Биккулова А.Т., Ишмуратова Г.М. Биоэлементология s-,d-элементов. – СПб: Наука, 1999
2. Калоус В., Павлнчек 3. Биофизическая химия. – М.: Мир, 1985.
3. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов/ Под ред. Ю. А. Ершова. – М.: Высшая школа, 1993. – 560 с.
4. Румянцев Е. В., Антина Е. В., Чистяков, Ю. В. Химические основы жизни: Учебное пособие. – М.: Химия – КолосС, 2007. – 568 с.
5. Слесарев В. И. Химия: основы химии живого: Учебник для вузов. Изд. 2-е, испр. и доп. – СПб: Химиздат, 2001. – 784 с.
6. Станцо В. В., Черненко М. Б. Популярная библиотека химических элементов. – под ред. И. В. Петрянова-Соколова. – Наука, 1983.
7. Хьюз М. Неорганическая химия биологических процессов: Пер. с англ. под ред. М. Е. Вольпина. – М.: Мир, 1983. – 416 с.
8. Чистяков Ю. В. Основы бионеорганической химии. — М: Химия, КолосС, 2007. – 539 с: ил.
9. Colman P. M., Jansonius J. N.. Matthews B. W., J. Mol. Biol, 70, 701 (1972).
10. Kannan K., Petef M., Fridborg K., Cid-Dresdner H., Lovgren S., FEBS Letters, 73, 115 (1977).
11. Kester W. R., Matthews B. W., Biochemistry, 16, 2506 (1977); J. Biol. Chem., 252, 7704 (1977).
12. Kettman V., Ergeb. Exp. Med., 24, 103 (1977).
13. Matthews B. W., Weaver L. H., Biochemistry, 13, 1719 (1974).
14. Melbye S. W., Carpenter F. H., J. Biol. Chem., 246, 2459, 2463 (1971).
15. Plocke D. J., Levinthal C, Vallee B. L., Biochemistry, 1, 373 (1962); Plocke D. J., Vallee B. L, Biochemistrv, 1, 1039 (1962).
16. Quiocho F. A., Lipscomb W. N.. Adv. Protein Chem., 25, 1 (1971); Lipscomb W. N.. Hartsuck J. A., Reeke G. N., Quiocho F. A., Bethge R. H., Ludwig M. L., Steitz T. A., Muirhead H., Coppola J. C, Brookhaven Symp. Biol., 21, 24 (1968); Phil. Trans. Roy. Soc. Lond., B257, 159 (1970).
17. Reipe R., Wang J. H., J. Amer. Chem. Soc, 89, 4229 (1967).
18. Scheule R. K., Van Wart H. E., Vallee B. L., Scheraga H. A., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 74, 3272 (1977).
19. Simpson R. Т., Vallee B. L., Biochemistry, 7, 4343 (1968).
20. Tellam R., Winzor D. /, Nichol L. W., Biochem. J, 173, 185 (1978).

 

 

1 Постнатальный – ( лат. post – после,  atalis –  относящийся к рождению) относящийся к периоду после рождения.

2 Гипогонадизм – (греч. Goe –  зарождение, ade – железа) патологическое состояние, обусловленное пониженной секрецией половых гормонов и характеризующееся слабым развитием половых органов и вторичных половых признаков.

3 Гипертиреоз –(лат thyreoidea –  щитовидная железа) повышение функции щитовидной железы при диффузном токсическом зобе, а также при других патологических и физиологических (например, беременность) состояниях.

4 Фитаты – соединения, способные предотвратить развитие стероидозависимой опухоли. Фитаты содержатся в злаковых культурах и других продуктах. Избыток фитатов, препятствуя усвоению из пищи кальция и других минеральных веществ, может нанести вред организму.

5 Эстеразная активность – способность расщеплять эфирные связи.

6 Текстикулярная атрофия – (от греч. atropheo) - голодаю, чахну) прижизненное уменьшение размеров яичка, сопровождающееся нарушением или прекращением функции.

7 Остеобласты –  (гр. blaste – росток) клетки, участвующие в построении костной ткани, её развитии, регенерации и перестройке.

8 Глутатион –  пептид, образованный остатками трёх аминокислот глутаминовой, цистеина, глицина. Содержится во всех живых организмах. Участвует во многих окислительно восстановитановительных реакциях и обеспечивает функционирование ряда ферментов.

9 Метионин – CH3(S)CH2CH2CH(NH2).COOH, алифатическая аминокислота. Входит в состав белков. Служит в организме донором метильных групп (-CH3) при биосинтезе холина, адреналина и других биологически важных веществ, а также источником серы при биосинтезе цистеина. Незаменимая аминокислота. Синтетический метионин применяют для обогащения кормов, пищи и как медицинский препарат.

10 «Цинкундан» – лекарственный препарат, предназначенные для лечения грибковых заболеваний дерматомикозов, онихомикозов,  кандидамикоза и др. Препарат местного действия применяются наружно на очаги поражения в виде мазей.

11 Новоциндол – комбинированный препарат. Оказывает антисептическое и местноанестезирующее действие, применяется при кожных заболеваниях.

12 Цинкасол – препарат для лечения кожных болезней, содержащий цинка окиси 0.5 г.