Микроэлементы представляют собой неорганические вещества, присутствующие в организме в крайне малых количествах, однако их значение для поддержания нормального обмена веществ чрезвычайно велико. Они входят в состав ферментов, гормонов, белков, нуклеиновых кислот и играют ключевую роль в катализе биохимических реакций, регуляции метаболизма и поддержании структурной целостности клеток и тканей. Несмотря на их микроскопические концентрации (менее 0,01 % массы тела), дефицит или избыток микроэлементов вызывает глубокие нарушения физиологических процессов.
Микроэлементы принято подразделять на жизненно необходимые (эссенциальные) и условно необходимые. К первой группе относятся железо, медь, цинк, марганец, кобальт, молибден, хром, селен, йод и фтор. Ко второй — алюминий, никель, ванадий, бор, кремний и ряд других, выполняющих вспомогательные или регуляторные функции.
Является центральным компонентом гемоглобина и миоглобина, участвующих в транспорте и депонировании кислорода. Входит в состав цитохромов, каталаз, пероксидаз, принимая участие в процессах клеточного дыхания и окислительно-восстановительных реакциях. Нарушение обмена железа приводит к анемиям, гипоксии тканей и расстройствам энергетического обмена.
Участвует в функционировании более 300 ферментов, включая карбоангидразу, алкогольдегидрогеназу и ДНК-полимеразу. Регулирует синтез белков, нуклеиновых кислот и инсулина. Цинк стабилизирует структуру клеточных мембран и оказывает антиоксидантное действие. Недостаток вызывает замедление роста, кожные заболевания, нарушение репродуктивных функций и иммунного ответа.
Компонент ферментов оксидаз, включая цитохромоксидазу, церулоплазмин и тирозиназу. Медь необходима для синтеза коллагена, меланина и обеспечения нормального кроветворения. Нарушение обмена меди проявляется анемией, депигментацией кожи, неврологическими нарушениями (болезнь Менкеса, болезнь Вильсона — Коновалова).
Входит в состав митохондриальных ферментов, участвующих в метаболизме углеводов и липидов. Активирует фосфатазы и декарбоксилазы, способствует нормальному развитию костной ткани и функционированию центральной нервной системы.
Необходим для образования витамина B₁₂ (кобаламина), участвующего в метаболизме нуклеиновых кислот и аминокислот. Кобальт стимулирует эритропоэз и регулирует активность ряда ферментов. Недостаток вызывает мегалобластную анемию и расстройства нервной системы.
Основной элемент гормонов щитовидной железы — тироксина и трийодтиронина, регулирующих энергетический обмен, рост и развитие организма. Дефицит йода вызывает гипотиреоз, эндемический зоб, задержку физического и умственного развития.
Входит в состав фермента глутатионпероксидазы, защищающего клетки от перекисного окисления липидов. Участвует в регуляции иммунитета, сперматогенеза и метаболизма гормонов щитовидной железы. Недостаток селена приводит к кардиомиопатиям и нарушению антиоксидантной защиты.
Активирует инсулиновый комплекс, способствует усвоению глюкозы и поддержанию нормального уровня липидов крови. Недостаток вызывает нарушение углеводного обмена, повышение риска сахарного диабета и атеросклероза.
Кофактор оксидаз (ксантиноксидаза, альдегидоксидаза), участвующих в обмене пуринов и детоксикации. Недостаток приводит к накоплению токсичных метаболитов и нарушению функции нервной системы.
Необходим для минерализации костей и зубной эмали. Входит в состав фторапатита, повышающего устойчивость эмали к действию кислот. Избыток фтора вызывает флюороз, а его недостаток — кариес и остеопению.
Микроэлементы взаимодействуют с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами, формируя металоорганические комплексы, которые определяют их биологическую активность. В ферментах и коферментах они выступают как металлопростетические группы, обеспечивающие каталитическую активность за счёт способности изменять степень окисления. Например, железо в цитохромах чередует состояния Fe²⁺/Fe³⁺, обеспечивая транспорт электронов.
Антагонизм и синергизм между элементами имеет большое значение: избыток одного микроэлемента (например, цинка) может вызывать дефицит другого (меди) вследствие конкуренции за связывающие белки и рецепторы. В физиологических условиях поддерживается строгий баланс, контролируемый системой кишечного всасывания, почечной экскреции и внутриклеточного транспорта.
Ферменты, содержащие микроэлементы, относятся к металлоферментам. Они обеспечивают протекание реакций окисления, восстановления, гидролиза и изомеризации. Примеры:
Активные центры таких ферментов формируются за счёт координационных связей между металлом и атомами азота, кислорода или серы аминокислотных остатков (гистидина, цистеина, аспартата). Это обеспечивает высокую специфичность и эффективность катализа.
Антиоксидантная система организма основана на ферментативных и неферментативных механизмах. Микроэлементы играют ключевую роль в поддержании редокс-гомеостаза. Селен и цинк обеспечивают активность глутатионпероксидазы и супероксиддисмутазы, устраняющих активные формы кислорода. Медь и марганец также входят в состав антиоксидантных ферментов, предотвращающих перекисное окисление липидов и повреждение мембран.
Дефицит микроэлементов возникает при недостаточном поступлении с пищей, нарушении всасывания, хронических заболеваниях или применении некоторых лекарственных средств. Избыток может быть связан с загрязнением окружающей среды, злоупотреблением добавками или нарушением регуляции выделения. Нарушение обмена микроэлементов ведёт к полиорганным расстройствам, изменению ферментативной активности, гормональным и иммунным нарушениям.
Определение содержания микроэлементов в крови, моче, волосах и тканях используется для диагностики нарушений метаболизма, отравлений и дефицитных состояний. Микроэлементные препараты применяются для коррекции дисбалансов, а также в качестве кофакторов при лечении хронических заболеваний. В медицинской химии исследуется химическая форма микроэлементов, их биодоступность, взаимодействие с лекарственными веществами и участие в метаболических цепях.
Регулирование микроэлементного гомеостаза — важный аспект фармакотерапии и профилактической медицины, определяющий нормальное течение обменных процессов и устойчивость организма к стрессовым факторам.