Неорганические вещества играют фундаментальную роль в обеспечении структурной целостности, энергетического обмена и регуляции биохимических процессов в живых организмах. Они входят в состав клеток, тканей, биомолекул, участвуют в катализе, передаче сигналов и поддержании гомеостаза. Их концентрации и распределение строго контролируются, а нарушение баланса ведёт к патологическим состояниям.
По физиологическому значению и содержанию в организме элементы делятся на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.
Макроэлементы (Ca, P, K, Na, Cl, Mg, S) присутствуют в концентрациях, измеряемых граммами на литр биологической ткани. Они выполняют структурные и регуляторные функции. Микроэлементы (Fe, Cu, Zn, Mn, Co, I, F, Se, Mo) требуются в миллиграммовых количествах и участвуют преимущественно в ферментативных и катализаторных процессах. Ультрамикроэлементы (Ni, Cr, Si, V, As и др.) содержатся в следовых количествах, но их отсутствие может нарушать нормальное течение метаболических реакций.
Кальций (Ca) образует минеральную основу костей и зубов, обеспечивает свёртывание крови, регулирует возбудимость мышечных и нервных клеток. В клеточных сигнальных системах ион Ca²⁺ действует как вторичный мессенджер, активируя ферменты и белки.
Фосфор (P) присутствует в виде фосфатов и фосфолипидов, участвует в энергетическом обмене (АТФ, АДФ), регулирует кислотно-щелочное равновесие, входит в состав нуклеиновых кислот.
Натрий (Na) и калий (K) обеспечивают осмотическое давление и поддерживают мембранный потенциал. Их градиенты регулируются натрий-калиевым насосом (Na⁺/K⁺-АТФазой), играющим ключевую роль в передаче нервных импульсов и поддержании водно-солевого баланса.
Магний (Mg) является кофактором более чем 300 ферментов, особенно участвующих в реакциях фосфорилирования. Он стабилизирует структуру ДНК и РНК, способствует синтезу белков и участвует в энергетическом метаболизме.
Сера (S) входит в состав аминокислот (цистеин, метионин), коферментов и витаминов (биотин, тиамин). Сульфгидрильные группы (-SH) серосодержащих соединений обеспечивают поддержание третичной структуры белков и функционирование ферментов.
Железо (Fe) — центральный компонент гемоглобина, миоглобина и цитохромов, ответственный за транспорт и перенос электронов. Ионы Fe²⁺/Fe³⁺ участвуют в окислительно-восстановительных реакциях дыхательной цепи.
Цинк (Zn) содержится в активных центрах более 200 ферментов, включая карбоангидразу, алкогольдегидрогеназу, ДНК-полимеразу. Он стабилизирует белковые и нуклеиновые структуры, регулирует синтез инсулина и иммунный ответ.
Медь (Cu) входит в состав ферментов оксидаз и гидроксилаз, таких как цитохромоксидаза и супероксиддисмутаза. Она участвует в тканевом дыхании, синтезе коллагена и защите клеток от свободных радикалов.
Марганец (Mn) необходим для активности ферментов, катализирующих реакции окисления и фосфорилирования. В хлоропластах Mn образует часть фотосистемы II, обеспечивающей фотолиз воды.
Кобальт (Co) входит в состав витамина B₁₂ (кобаламина), необходимого для нормального кроветворения и метаболизма жирных кислот.
Йод (I) необходим для синтеза тиреоидных гормонов — тироксина и трийодтиронина, регулирующих обмен веществ и рост тканей.
Фтор (F) укрепляет эмаль зубов, предотвращая кариес, и влияет на минеральный обмен в костной ткани.
Селен (Se) является составной частью селенопротеинов, включая глутатионпероксидазу, защищающую клетки от перекисного окисления липидов.
Молибден (Mo) входит в состав оксидаз и дегидрогеназ, участвующих в метаболизме пуринов и серосодержащих аминокислот.
Хром (Cr) усиливает действие инсулина, регулирует углеводный обмен и снижает уровень холестерина. Никель (Ni) входит в состав некоторых ферментов, участвующих в метаболизме мочевины и водорода. Кремний (Si) способствует синтезу коллагена и формированию соединительной ткани. Ванадий (V) оказывает влияние на фосфорилирование белков и углеводный обмен. Арсен (As) в следовых количествах регулирует рост и воспроизводство клеток у некоторых видов животных.
Неорганические вещества в организме присутствуют в виде ионов, комплексов, неорганических солей и минеральных структур. Они могут быть связаны с белками, липидами или нуклеиновыми кислотами, формируя устойчивые координационные соединения. Распределение элементов неоднородно: кости содержат около 99% кальция и фосфора, а плазма крови — основные катионы и анионы, обеспечивающие электролитное равновесие.
Ионы металлов регулируют активность ферментов, влияя на их пространственную структуру и каталитические свойства. Металлоферменты содержат металлы в активных центрах, где они выступают акцепторами или донорами электронов. Примеры — карбоангидраза (Zn²⁺), каталаза (Fe³⁺), аргиназа (Mn²⁺), щелочная фосфатаза (Mg²⁺, Zn²⁺).
Многие процессы жизнедеятельности зависят от ионного баланса, поддерживаемого системами транспорта ионов через мембраны. Изменения концентрации Na⁺, K⁺, Ca²⁺ или Cl⁻ приводят к нарушениям возбудимости, осморегуляции и метаболизма.
Избыток или дефицит неорганических компонентов вызывает патологические изменения. Гипокальциемия ведёт к судорогам и остеопорозу, дефицит железа — к анемии, недостаток йода — к эндемическому зобу. Избыточное поступление меди, свинца, кадмия или ртути вызывает интоксикации, повреждение печени, почек и нервной системы.
Токсичность зависит от формы элемента: свободные ионы металлов более опасны, чем их комплексные соединения. Биохимические механизмы детоксикации включают связывание металлов белками (металлотионеинами), хелатообразование и выведение через почки.
Медицинская химия активно использует неорганические соединения в терапевтических целях. Соединения лития применяются при лечении аффективных расстройств, соли платины (цисплатин, карбоплатин) — как противоопухолевые средства, висмут — в гастроэнтерологии, серебро и цинк — в антисептике. Металлокомплексы рассматриваются как перспективные лекарственные формы с регулируемой биодоступностью и целенаправленным действием.
Неорганические элементы участвуют в создании контрастных агентов, радиофармацевтических препаратов, имплантационных материалов. Их химическая модификация позволяет управлять фармакокинетикой, снижать токсичность и повышать терапевтический эффект.
Таким образом, неорганические компоненты биологических систем представляют собой фундаментальную основу биохимических процессов и ключевой объект изучения медицинской химии, обеспечивая взаимосвязь между структурой, функцией и физиологическим состоянием организма.