Биологическая роль ванадия
Реферат
Биологическая роль ванадия
Введение
ванадий химический биологический
Ванадий - двадцать третий элемент
Периодической системы Д.И. Менделеева. Широкое распространение получил в
металлургии и металлохимии.
До настоящего времени в литературе
рассматривались лишь вопросы токсикологии окислов и солей ванадия, однако,
проблема биологического действия ванадия на организм при безопасной
концентрации достаточно широко не освещалась.
Поэтому, может сложиться мнение, что
ванадий является исключительно токсичным элементом. Стремясь восполнить пробел
в изучении ванадия, поставили перед собой следующие задачи:
1) выяснить, какие физические и
химические свойства позволяют считать его необходимым элементом;
2) изучить пути поступления,
распределения и выведение ванадия;
) описать поведение ванадия в
организме, его участие в биологических процессах;
) определить синергистов и
антагонистов элемента, так как любое химическое соединение не поступает в
организм в изолированном виде.
Следует отметить, что, прежде всего,
рассматривался организм человека.
1. Общая характеристика
элемента
Ванадии (Vanadium, V) - химический элемент V В группы периодической системы. Атомный номер - 23, атомная масса
М = 50,94
,
валентность 5, реже - 4, 3, 2. Ванадий имеет два устойчивых изотопа.
Радиус нейтрального
атома ванадия 0,134 нм, радиус ионов V2+ - 0,093 нм, V3+
- 0,078 нм, V4+ - 0,067-0,086 нм, V5+ - 0,050-0,068 нм.
Энергии последовательной ионизации атома ванадия 6,74, 14,65, 29,31, 48,6 и
65,2 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность ванадия 1,63.
Чистый V - светло-серый хрупкий, очень твердый металл, не окисляющийся
на воздухе, плотность 6,11 г./см3, tпл.=19200С,
tкип.=34500С. Растворяется только в кислотах, являющихся
сильными окислителями (азотная кислота, царская водка), и расплавленных
щелочах. В мелкораздробленном состоянии при нагревании энергично
взаимодействуете кислородом, галогенами и серой. При низких температурах металл
покрыт защитной пленкой оксида и поэтому оказывается более инертными, чем можно
ожидать по значению величины его редокс-потенциала.
Получение ванадия: в
промышленности при получении ванадия из железных руд с его примесью сначала
готовят концентрат, в котором содержание ванадия достигает 8-16%. Далее окислительной
обработкой ванадий переводят в высшую степень окисления +5 и отделяют легко
растворимый в воде ванадат натрия NaVO3. При подкислении раствора
серной кислотой выпадает осадок, который после высушивания содержит более 90%
ванадия. Первичный концентрат восстанавливают в доменных печах и получают
концентрат ванадия, который далее используют при выплавке сплава ванадия и
железа - так называемого феррованадия (содержит от 35 до 70% ванадия).
Металлический ванадий можно приготовить восстановлением хлорида ванадия
водородом (H), кальцийтермическим восстановлением оксидов ванадия (V2O5
или V2O3), термической диссоциацией VI2 и
другими методами.
В водных растворах и
животных тканях ванадий претерпевает ряд взаимных превращений.
Целый ряд
физико-химических и биологических свойств позволяет считать его необходимым
элементом. Это, прежде всего, небольшая молярная масса, высокая каталитическая
активность, способность образовывать хелатные соединения с биологически
активными соединениями. Кроме того, следует отметить повсеместное
распространение ванадия в геосфере, накопление в организме и быструю экскрецию,
характерные симптомы при дефиците у животных и растений.
Ванадий отличается от
ниобия Nb и тантала Ta (других элементов V В группы) большей растворимостью и
устойчивостью солей, а, следовательно, и биологическими свойствами. Ванадий не
образуют токсичных летучих гидридов.
2. Ванадий и организмы
животных
Еще в прошлом веке
ванадий был впервые обнаружен в составе некоторых растений, после чего
присутствие элемента №23 в углях, торфе и сланцах перестало казаться странным.
Один из растительных «собирателей» ванадия хорошо знаком каждому - это ядовитый
гриб бледная поганка.
В крови некоторых
обитателей морей и океанов - морских ежей и голотурий содержание ванадия достигает
10%. Предполагается, что ванадий играет здесь ту же роль, что железо в
гемоглобине. Но это утверждение - гипотетическое. Другие ученые придерживаются
мнения, что роль ванадия в этом случае сравнима с ролью магния в хлорофилле,
иными словами, ванадий, содержащийся в крови голотурий, участвует, прежде
всего, в процессах питания, а не дыхания.
В Аргентине проводились опыты с
введением соединений ванадия в пищу быков и свиней. При этом у животных
улучшался аппетит, и они быстро прибавляли в весе. Известно также, что плесень
«черный аспергил» развивается нормально только в присутствии солей ванадия. Все
факты говорят о том, что ванадий играет определенную роль в жизненных
процессах, но какую именно - это еще предстоит уточнить.
3. Поступление,
распределение, выведение
Поступление, распределение,
выведение будем рассматривать на примере организма человека.
Ванадий содержится в организме
взрослого человека в основном в мягких тканях (примерно 18 мг). В организм
человека ванадий поступает с пищей. Дневная доза с пищей для человека
составляет 2 мг. Пищевые продукты, богатые ванадием: моллюск, грибы, шпинат,
петрушка, семя укропа, черный перец. Большое количество ванадия содержится в
растительном масле, печени, жирном мясе, морской рыбе, сое и хлебных злаках. Напитки,
жиры и масла, свежие фрукты и свежие овощи содержат наименьшее количество
ванадия.
Абсорбция соединений ванадия зависит
от их растворимости и химической природы. В желудке существуют ионы VO2+ и H3V2O7-, а в крови - V3O93-, H3V2O7- и H2VO4 - . Водорастворимые
анионы абсорбируются хорошо, обычно около 10% вводимой дозы. Катионные формы
ванадий (II) - ванадий V - слабо абсорбируются вследствие гидролиза и осаждения
малорастворимых основных солей:
3+H2O → VOCl+2HCl.
При вдыхании соединений ванадия их абсорбция
из легких в кровь тем больше, чем интенсивней абсорбция из кишечника.
При экспозиции ванадия в виде V2O5
его соединения были обнаружены почти сразу же в моче, что указывает на быструю
абсорбцию.
Выведение абсорбированного ванадия
происходит в основном через почки и лишь незначительно с фекалиями (соотношение
5:1).
Накопление ванадия в органах
наблюдается в порядке уменьшения содержания: сердце > селезенка >
щитовидная железа > легкие > почки. В тканях сохраняется 10% от введенной
дозы, причем половина этого количества накапливается в костях.
Кумулятивный эффект у ванадия
отсутствует. У человека при ежедневном потреблении 2 мг ванадия 15-30 мкг его
выделяется, через почки.
4. Биологическое
действие
Соединения ванадия издавна
использовались как стимуляторы при анемии, а также при сифилисе, туберкулезе,
неврастении, ревматизме. Ванадий считают необходимым из-за его
физико-химических свойств.
Биологические процессы с участием
ванадия
Основные биологические процессы, в
которых участвует ванадий:
играет роль этиологического фактора
(причина, без которой болезнь никогда не разовьется) при
маниакально-депрессивном психозе, при котором имеет место нарушение обмена
натрия в эритроцитах, вызванное повышенной внутриклеточной концентрацией
ванадия;
оказывает влияние на обмен глюкозы в
организме путем стимуляции ее окисления;
катализирует окисление серотонина и
близких к нему аминов тирамина, адреналина и др.;
усиливает связывание кислорода
гемоглобином и миоглобином;
принимает участие в процессах
клеточного роста, дифференцировки и восстановления тканей.
Действие ванадия на организм
Ванадий препятствует развитию
атеросклероза, регулирует уровень глюкозы в крови, участвует в формировании
костей, улучшает состояние зубов, контролирует работу сердечнососудистой системы.
Снижение уровня холестерина
Имеются указания о его способности
влиять на обмен холестерина, фосфолипидов и на активность некоторых ферментов,
а также тормозить развитие гиперхолестеринемии.
Ванадий уменьшает выработку
холестерина в клетках печени и снижает содержание в крови липидов, ускоряя их
метаболизм. Достаточное содержание ванадия в мозге поддерживает его сосуды в
хорошем состоянии и препятствует развитию склероза, предотвращает риск
сердечнососудистых заболеваний, гипертонии.
Он не только тормозит биосинтез
холестерина, но и мобилизует его отложения, депонированные в ткани печени. Под
влиянием ванадия, взятого в расчете на металл в дозе 0,05 мг на особь, (белые
крысы), отмечалось увеличение активности пероксидазы, каталазы, церулоплазмииа,
карбоангидразы и снижение насыщенности железом трансферина и количества
свободных тиогрупп крови. Применение суточной дозы 0,2 мг повышало
резистентность животных к физической нагрузке, активность пероксидазы и снижало
активность карбоангидразы, каталазы, количество свободных тиогрупп крови.
Инсулиновое действие
ванадийсодержащих соединений
В последние годы было установлено,
что соли ванадия имитируют эффекты инсулина.
Инсулиноподобное действие проявляют
обе биологически активные формы ванадия (ванадат VO32- и ванадил VO2-). По существу, все основные эффекты инсулина, направленные на
регуляцию метаболизма углеводов и липидов, имитируются соединениями ванадия.
Так, в присутствии ванадия стимулируется транспорт глюкозы и ее метаболизм в
жировой ткани, диафрагме, в скелетных мышцах и мозге. В печени и мышцах
усиливается синтез гликогена. Кроме того, в печени ингибируется глюконеогенез,
а в жировой ткани тормозится липолиз и стимулируется липогенез. Действие
ванадия на поглощение глюкозы в скелетных мышцах обусловлено его влиянием на
экспрессию и транслокацию в плазматическую мембрану инсулин-регулируемого
транспортера.
На животных с экспериментальным
диабетом установлено, что соединения ванадия нормализуют гликемию (содержание
глюкозы в крови).
Возможность применения ванадийсодержащих
соединений при диабете I типа позволяет преодолевать резистентность к инсулину
и не повышать его дозу. У больных диабетом II типа соединения ванадия
способствуют повышению чувствительности к инсулину.
Регуляция водно-солевого баланса
Ванадий участвует в клеточном
механизме регуляции «натриевого насоса», поэтому он важен для поддержания
баланса натрия и калия в организме, что позволяет поддерживать нормальное
артериальное давление, снижать отеки, регулировать работу мышечной и нервной
тканей.
Противоопухолевое действие
Ванадий стимулирует правильное
деление клеток организма, действуя при этом как антиопухолевое средство.
Канадская фармацевтическая фирма «Ангиотек» разрабатывает программу по лечению
ревматоидных артритов и остеоартритов, основываясь на данных о том, что
ортованадат ингибирует ферменты, участвующие в процессах, ведущих к разрушению
суставов. Следует подчеркнуть, что исходя из биологических эффектов,
ванадийсодержащие соединения являются скорее лекарственными средствами, чем пищевыми
добавками.
Регуляция процессов кроветворения
Ванадий усваивается организмом при
помощи молекул-переносчиков, подобных тем, которые транспортируют железо.
Поэтому уровень ванадия в организме изменяется в соответствии с потреблением
железа и, таким образом, ванадий влияет на уровень гемоглобина в крови.
Формирование костного скелета
Ванадий способствует накоплению
солей кальция в костях, участвует в формировании зубов, повышает их
устойчивость к кариесу. Достаточный уровень ванадия в организме предотвращает
деформации опорно-двигательного аппарата, а у детей - способствует росту
скелета.
Повышение потребления кислорода
Была установлена способность ванадия
в биотических количествах повышать потребление кислорода животным организмом,
выявлено действие ванадия на активность ферментов тканевого дыхания -
сукцинатдегидрогеназы и цитохромоксидазы. Можно говорить о наличии у ванадия
«зональности» действия, которая выражается в том, что под влиянием малых
(биотических) количеств ванадия (3,2 мкг/кг) происходит повышение активности
ферментов («зона биотического действия»), при увеличении дозы до 128 мкг/кг
прекращается или ослабляется эффект («зона бездействия»), а при применении
макродозы (5,12 мг/кг) наступает угнетение ферментативного процесса («зона
фармакотоксилогического действия»).
Влияние на обмен серотина
То, что катион ванадия может
выполнять активную физиологическую роль, подтверждается и неравномерным
распределением его при нормальных условиях в головном мозгу и концентрацией в
подкорковой области - в зоне зрительных бугров. Именно в подкорковой области
осуществляется наиболее активный обмен серотонина. В противоположность
стимулирующему влиянию ванадия на обмен серотонина большие дозы (интоксикация)
тормозят этот обмен. В настоящее время установлено, что серотонин вызывает
резкое повышение проницаемости кровеносных сосудов (была установлена прямая
зависимость между этим явлением и содержанием ванадия в организме).
5. Аномальное содержание
ванадия в организме
О проявлении биологической роли
ванадия можно судить о том влиянии, которое он оказывает при повышенном и
пониженном содержании в организме.
Пониженное содержание
Дефицит ванадия у людей не
идентифицирован. Большинство сообщаемых клинических признаков недостатка
ванадия являются сомнительными.
Дефицит ванадия у животных приводил
к повышению частоты абортов и снижению количества молока, приблизительно 40%
детенышей погибали, увеличивался вес щитовидной железы, уменьшался рост. При
выращивании коз на диете, специально обедненной ванадием, наблюдалось
увеличение числа выкидышей и смертности среди новорожденных животных. При этом
наступление смерти часто сопровождалось судорогами (конвульсиями). У опытных
животных отмечалась деформация скелета (задних конечностей) и увеличение объема
щитовидной железы. В опытах на крысах было показано, что введение ванадия на
фоне дефицита йода или действия других струмогенных факторов, способно
оказывать положительный эффект на восстановление функций щитовидной железы.
Основные проявления дефицита
ванадия:
увеличение риска развития
атеросклероза;
увеличение риска развития сахарного
диабета.
Повышенное содержание
В присутствии VOSО4
нарушается синтез жирных кислот и фосфолипидов. Механизм этого влияния не
выяснен.
Известно, что ванадий ингибирует
более 13 ферментных систем. Например, ванадат, подобно арсенату, замещает
фосфат в реакции с глицеральдегид-3-фосфатом, нарушая фосфорилирование и синтез
АТФ.
Нарушение синтеза АТФ.
Ванадий и его соединения - яды
широкого спектра действия; они поражают систему кровообращения, органы дыхания,
нервную систему, а также вызывают воспалительные и аллергические заболевания
кожи.
Для соединений ванадия характерно
раздражающее действие на слизистые оболочки (при вдыхании и заглатывании пыли),
нарушение белкового обмена и обмена серотонина, дистрофические изменения в
паренхиматозных органах, функциональные нарушения нервной и сердечной
деятельности.
При воздействии ванадия снижается
сопротивляемость организма инфекции, что влечет за собой повышение уровня
заболеваемости пневмонией, гриппом и др. Среди лиц, работающих с соединениями
ванадия, может отмечаться повышение заболеваемости гипертонической болезнью.
Имеют место случаи профессиональных
заболеваний кожи, в частности появление папулезной сыпи на конечностях и лице,
а также экземы аллергического характера.
Основные проявления избытка ванадия
при острой интоксикации:
воспалительные реакции кожи и
слизистых оболочек глаз, глотки, верхних дыхательных путей;
аллергические реакции (экзема,
астмоподобные состояния);
лейкопения и анемия.
При хронической интоксикации:
снижение содержания в организме
аскорбиновой кислоты;
снижение содержания цистина в
волосах;
повышение частоты заболеваний
бронхолегочной системы;
увеличение риска развития
новообразований.
Токсичность ванадата снижается
аскорбиновой кислотой. При приеме ванадата в токсичных дозах в организме
снижается концентрация витамина С. Витамин С защищает мышей от действия ванадия
в токсичных дозах. Вероятно, что V(V), восстанавливаясь до менее токсичных
V(IV) и V(III), окисляет аскорбиновую кислоту. V(IV) и V(III) могут
образовывать хелаты с аскорбиновой кислотой.
6. Синергисты и
антагонисты ванадия
Антагонистами ванадия являются хром
и содержащиеся в пище белки. В настоящее время синергисты ванадия точно не
установлены, но предполагается, что им является кобальт.
Хром
Совместное поступление ванадия и
хрома сопровождается взаимовлиянием на их токсикокинетику, результатом которого
является изменение процессов всасывания и выведения металлов из организма.
Отложение во внутренних органах зависят от дозовых соотношений компонентов
комбинаций и связанной с ними взаимовлияния при контакте с биосубстратами.
Замедление выведения ванадия из организма в присутствии хрома, более выражено
проявляющееся при наличии меньшей дозы его в смесях, объясняется отложением его
во внутренних органах в виде труднорастворимых соединений.
Сопоставление параметров поведения
ванадия и хрома на разных этапах метаболического пути показало, что суммарное
содержание их в той или иной биосреде (например, в целом организме) при комбинированном
поступлении в разных дозовых соотношениях существенно не превышает пределы
суммы содержания изолированно введенных металлов. Учитывая то обстоятельство,
что степень токсического действия металлов коррелирует с их содержанием в
биосредах, можно предполагать только об аддитивном токсическом эффекте ванадия
и хрома при их комбинированном поступлении в организм.
Таким образом, хром является
антагонистом ванадия, но в тоже время следует говорить об их аддитивном эффекте
при токсичных дозах.
Кобальт
Установлено, что организм взрослого
человека содержит около 30 мг ванадия и 5_мг кобальта. Это может быть объяснено
большой физиологической значимостью кобальта по сравнению с ванадием, более
привычными для организма процессами утилизации его, с которыми организм хорошо
справляется.
Несмотря на выраженные различия в
поведении ванадия и кобальта в организме, они обладают также многими сходными
биологическими свойствами. Эти металлы являются биологически важными
элементами. Так Сo активирует ряд ферментов, регулирующих тканевое дыхание,
кроветворение и угнетающе действует на энзимы, образуя комплексы с белками,
содержащими SH-группы. Известно также, что кобальт в малых дозах активирует, а
в больших - угнетает жизненно важные биохимические процессы.
Одновременное введение ванадия и
кобальта в разных дозовых соотношениях сопровождается усилением
комбинированного эффекта, характеризующимся высоким уровнем задержки ванадия в
организме крыс.
При остром воздействии металлов на
уровне смертельных эффектов обнаруживается четко выраженное явление усиления
токсического действия.
Конкурирующее взаимодействие между V и Со, основанное на их
физико-химических свойствах и взаимоотношениях с биосубстратами, происходит
только на этапе абсорбции металлов и характеризуется преимущественной задержкой
ванадия в органах вторичного депонирования.
Заключение
Была дана общая характеристика
ванадия, выделен целый ряд физико-химических и биологических свойств,
позволяющих считать его жизненно необходимым элементом.
Описаны пути поступления,
распределения и выведения его из организма. Рассмотрена биологическая роль
элемента в животном организме.
Характеризуются биологические
процессы в организме человека с участие ванадия, раскрыто его биологическое
действие, в частности снижение уровня холестерина, инсулиновое действие,
регуляция водно-солевого баланса, противоопухолевое действие, регуляция
процессов кроветворения, формирование костного скелета и повышение потребления
кислорода.
Даны симптомы аномального содержания
ванадия, а также выделены синергисты и антагонисты ванадия. Так, хром является
антагонистом ванадия, но в тоже время следует говорить об их аддитивном эффекте
при токсичных дозах, а кобальт предположительно является синергистом, хотя в
настоящее время синергисты ванадия точно не установлены.
Список использованной
литературы
1. Большая медицинская
энциклопедия (БМЭ) [Текст]. В 30 т. Т. 4. Валин - Тамбия / главн. ред. Б.В.
Петровский. - М.: Советская энциклопедия, 1976. - 575 с.
. Ванадий [Электронный
ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа:
http://www.smed.ru/guides/208/#article. - Загл. с экрана.
. Ванадий - V [Электронный ресурс]. - Электрон.
дан. - Режим доступа: http://webelements.narod.ru/elements/V.htm. - Загл. с
экрана.
. Ершов, Ю.А. Механизмы
токсического действия неорганических соединений [Текст] / Ю.А. Ершов, Т.В.
Плетенева. - М.: Медицина, 1989. - 272 с.: ил.
. Инсулиновое действие
ванадийсодержащих соединений [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим
доступа: http://medi.ru/pbmc/ 8800402.htm. - Загл. с экрана.
. Казакова, Б.И. Элемент
№23: Ванадий [Текст] / Б.И. Казакова, Е.В. Грузинова // Химия и жизнь. - 1966.
- №4. - С. 60-65.
. Казимов, М.А.
Экспериментальное изучение комбинированного действия ванадия и кобальта [Текст]
/ М.А. Казимов // Вопросы гигиены труда в нефтяной и нефтеперерабатывающей
промышленности. - Алма-Ата: Изд-во Изд-во НИИ краевой патологии Минздрава
Казахской ССР, 1986. - С. 120-129.
. Казимов, М.А.
Экспериментальное изучение особенностей токсикокинетики ванадия и хрома при их
совместном поступлении в организм [Текст] / М.А. Казимов // Гигиенические
вопросы производства цветных металлов в Казахстане. - Алмата: Изд-во
Алма-Атинского государственного медицинского института, 1987. - С. 128-136.
. Кирпичики моего
здоровья [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа:
http://content.mail.ru/arch/25170/1861702.html&clean =1&print=1. -
Загл. с экрана.
. Кулиева, Т.Х. Влияние
ванадия на активность некоторых ферментов тканевого дыхания [Текст] / Т.Х.
Кулиева // Здравоохранение Туркменистана. - 1974. - №3 (171). - С. 17-19.
. Лидин, Р.А. Химические
свойства неорганических веществ [Текст]: учеб. пособие для вузов / Р.Н. Лидин,
В.А. Молочко, Л.Л. Андреева; под ред. Р.А. Лидина. - М.: Химия, 1996. - 480 с.:
ил.
. Рощин, А.В. Ванадий и
его соединения [Текст] / А.В. Рощин - М.: Медицина, 1986. - 184 с.