26.3. Медико-биологическое значение цинка

Определения и обозначения

Эссенциальный микроэлемент — химический элемент, необходимый организму, хотя и требующийся в малых количествах. Цинк должен регулярно поступать с пищей, потому что тело не может полностью заменить его другим элементом или синтезировать из простых веществ.

Цинк-dependentные ферменты — ферменты, для работы которых нужен ион Zn²⁺. Он может участвовать в химическом превращении веществ или помогать белку сохранять правильную форму, поэтому без цинка реакция замедляется либо прекращается.

Цинковая недостаточность — состояние, при котором поступление, всасывание или использование цинка не покрывает потребности организма. Это определение помогает отличать истинный дефицит от отдельного симптома, который бывает вызван и другими причинами.

Токсическое действие избытка цинка — вредное влияние слишком большого количества цинка на органы и обмен веществ. Опасность связана не только с острыми расстройствами пищеварения, но и с длительным нарушением баланса других элементов, прежде всего меди.

Как это устроено

Цинк преимущественно находится в организме как Zn²⁺, потому что в водной среде клеток металлический цинк не существует в свободном виде. Ион легко связывается с атомами серы, азота и кислорода в белках, образуя устойчивые участки ферментов. Поэтому Zn²⁺ может одновременно удерживать структуру белка и направлять превращение молекул в активном центре.

Синтез ДНК и белков требует работы множества ферментов, а деление клетки начинается только при точном копировании наследственной информации. Цинк помогает этим ферментам связывать нужные молекулы и поддерживать их пространственную форму. Поэтому при его недостатке особенно быстро страдают растущие ткани, обновление кожи и заживление повреждений.

Иммунная система постоянно образует и активирует клетки, для чего нужны деление, синтез белков и согласованная передача сигналов. Цинк участвует в этих процессах, поэтому его дефицит ослабляет защиту от инфекций и замедляет восстановление тканей. По той же причине достаточное поступление элемента важно в периоды роста и после повреждений.

Кроветворение зависит от деления клеток костного мозга и синтеза белков крови, а репродуктивная функция — от нормальной работы половых клеток и гормонально регулируемых процессов. Цинк нужен для ферментативных реакций, сопровождающих эти процессы. Он также влияет на белки рецепторов вкуса и обоняния, поэтому при недостатке ощущения запаха и вкуса могут ослабевать.

Цинк поступает из мяса, печени, морепродуктов, рыбы, яиц, молочных продуктов, бобовых, орехов и цельнозерновых продуктов. В кишечнике он высвобождается из пищи и всасывается, но фитаты растительных продуктов могут связывать его и уменьшать доступность. Усвоение также зависит от состояния пищеварительной системы, состава рациона и физиологических потребностей организма.

Медико-биологическое значение цинка

Таблица показывает не отдельные независимые свойства, а связь между функцией цинка и последствиями нарушения его обмена. При решении задач нужно учитывать именно массу элементарного цинка, а не массу продукта или соли. Медицинские признаки нельзя оценивать изолированно: их сопоставляют с питанием, заболеваниями и результатами обследования.

Разбор задач

1. Число атомов цинка в суточном рационе

Условие: в рационе содержится 12 мг Zn. Требуется найти количество вещества и примерное число атомов. Молярная масса цинка M(Zn) ≈ 65,4 г/моль, число Авогадро Nₐ ≈ 6,02 · 10²³ моль⁻¹.

1. Переведём массу: 12 мг = 0,012 г.
2. Найдём количество вещества: n = m/M = 0,012/65,4 ≈ 1,83 · 10⁻⁴ моль.
3. Переведём количество вещества в число атомов: N = nNₐ ≈ 1,83 · 10⁻⁴ · 6,02 · 10²³ ≈ 1,1 · 10²⁰ атомов.

Ответ: n ≈ 1,8 · 10⁻⁴ моль; N ≈ 1,1 · 10²⁰ атомов. В расчёте рассматривается элементарный цинк, независимо от того, в каких пищевых соединениях он находился.

2. Масса продукта по содержанию цинка

Условие: в 100 г продукта содержится 3,0 мг цинка. Определим массу продукта, в которой будет 9,0 мг Zn. Количество цинка должно увеличиться в 9,0/3,0 = 3 раза, значит, во столько же раз увеличится масса продукта.

1. Составим пропорцию: 3,0 мг — 100 г продукта.
2. Для 9,0 мг: x = 100 · 9,0/3,0 = 300 г.

Ответ: 300 г продукта. Единицы согласованы: миллиграммы сокращаются в отношении, а искомая масса остаётся в граммах.

3. Цинк в кристаллогидрате

Условие: таблетка содержит 25 мг ZnSO₄·7H₂O. Найдём массу элементарного цинка. Используем Ar(Zn) ≈ 65,4, Ar(S) ≈ 32,1, Ar(O) ≈ 16, Ar(H) ≈ 1.

1. Рассчитаем Mr соли: 65,4 + 32,1 + 4 · 16 + 7 · (2 · 1 + 16) = 287,5.
2. Массовая доля цинка: ω(Zn) = 65,4/287,5 ≈ 0,2275.
3. Масса цинка: m(Zn) = 25 · 0,2275 ≈ 5,7 мг.
4. Для сравнения: это примерно половина ориентировочной суточной потребности взрослого, составляющей около 8–11 мг, но сравнение не является назначением дозировки.

Ответ: в таблетке около 5,7 мг элементарного цинка. Остальная масса приходится на серу, кислород и воду кристаллизации.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что клетки используют металлический цинк Zn. Так бывает из-за смешения названия элемента с его формой в организме; проверка проста: в биологических растворах ищут ион Zn²⁺ и цинксодержащие белки.

Ошибка 2. Рассуждать по принципу «чем больше, тем лучше». Потребность имеет диапазон, а избыток может вызвать расстройства пищеварения и нарушить обмен меди; при проверке нужно сравнивать поступление с ориентировочной потребностью и учитывать длительность.

Ошибка 3. Принимать массу соли за массу цинка. Ошибка возникает, если не учесть состав соединения; нужно вычислить ω(Zn) = Ar(Zn)/Mr(соли) и умножить её на массу вещества.

Ошибка 4. Объявлять любой симптом доказательством дефицита. Усталость, изменения кожи или снижение аппетита неспецифичны, поэтому себя проверяют не одним признаком, а совокупностью данных о питании, здоровье и лабораторных показателях.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны строение атома цинка, степень окисления +2, понятия микроэлемента, иона, фермента и массовой доли элемента в соединении. Эти знания позволяют понять, почему в клетке действует Zn²⁺ и как рассчитать его содержание в соли.

Связь с биологией проявляется через строение и функции белков, ферменты, обмен веществ, иммунитет и питание человека. Химические свойства иона объясняют биологические последствия его недостатка или избытка.

Дальше эти навыки пригодятся при расчётах состава лекарственных веществ, изучении биогенных элементов, токсикологии и химии комплексных соединений. Особенно важна идея: биологический эффект определяется формой и дозой вещества.

Что запомнить

• Цинк — эссенциальный микроэлемент, необходимый в небольших количествах.
• В биологических системах цинк главным образом присутствует в форме Zn²⁺.
• Цинк входит в состав и активные центры многих ферментов.
• Он необходим для синтеза ДНК и белков, роста, иммунитета и заживления тканей.
• Недостаток цинка может нарушать рост, иммунную и репродуктивную функции, вкус и обоняние.
• Избыток цинка токсичен и может нарушать обмен меди.
• Оценивать поступление цинка нужно по массе элементарного цинка, а не по массе его соли.