166614 (Физико-химические свойства йода и его соединений), страница 2

Многообразие химических форм соединений йода, легкость перехода между различными валентными соединениями, легкая летучесть свободного йода дали повод великому советскому геохимику А.Е. Ферсману охарактеризовать йод как элемент со сказочными свойствами. Уникальные свойства йода и его соединений позволяют этому элементу присутствовать в микроколичествах во всех без исключения объектах живой и неживой природы. Соединения йода в разных валентных состояниях обладают различной миграционной способностью и действием на живые организмы, поэтому при рассмотрении судьбы микроэлемента в биосфере необходимо учитывать как его валентные состояния в конкретных объектах биосферы, так и возможные окислительно-восстановительные превращения в рассматриваемых условиях.

3. Физиологическая роль йода

Йод принадлежит к числу важнейших микроэлементов, принимающих участие в интимнейших процессах обмена веществ в высокоразвитых организмах. В этой своей высшей функции йод не может быть заменен никаким другим химическим элементом. Жизнь на земле без йода невозможно представить, так как без него она вообще невозможна.

В ходе длительной эволюции наземных организмов их внутренняя среда претерпела значительные количественные изменения по сравнению с колыбелью жизни - водой Мирового океана. Содержание солей в океанской воде составляет в среднем 3,5%, а в плазме крови человека - 0,9%, то есть в четыре раза меньше. Однако для йода природа сделала исключение. Среднее содержание йода в океанской воде составляет 0,000005%, а в плазме крови - 0,00001%, то есть содержание йода во внутренней среде человека не только не снизилось, а, наоборот, сохранилось на уровне вдвое большем, чем в воде океана. Таким образом, человек разумный является видом-концентратором йода. Этот факт подчеркивает ту уникальную роль, которую играет йод в жизнедеятельности человеческого организма.

Общее содержание йода в организме взрослого человека составляет 20-30 мг, причем около 10 мг находится в щитовидной железе. В организме человека и животных йод присутствует как в виде неорганических соединений - йодидов, так и в составе органических веществ: белка тиреоглобулина, йодированных аминокислот - моной-одтиронина, дийодтиронина, трийодтиронина и тироксина, а также промежуточных продуктов их метаболизма.

Основным источником йода для человеческого организма является пища, главным образом растительная. Продукты животного происхождения играют более скромную роль в обеспечении потребности организма в йоде. 85 - 95% йода человек получает с пищей, вода и атмосфера в сумме дают 5 - 15%. Йод поступает из кишечника в кровь или в неорганической форме - в виде йодидов, или в виде йодированных жирных кислот, йодсодержащих аминокислот. Неорганические соединения йода положительных степеней окисления при попадании в кишечник восстанавливаются до йодид-иона.

Попавшие в ток крови йодид-ионы избирательно захватываются щитовидной железой и почками. Почки осуществляют выведение йода из организма. Таким образом, при введении в организм йода в виде йодид-иона значительная часть микроэлемента не достигает щитовидной железы. Этим в какой-то степени объясняется меньшая эффективность препаратов неорганического йода - йодидов и йодатов - по сравнению с органическими соединениями микроэлемента.

В щитовидной железе находятся ферментные системы, осуществляющие превращение йода из биологически неактивной формы (йодид-ион) в активную (тиреоидные гормоны) и поддерживающие динамическое равновесие между этими формами. На наружной поверхности клеточных мембран йодид-ион окисляется ферментом йодид-оксидазой до гипойодит-иона, который проникает через клеточную мембрану. В клетке гипойодит-ион восстанавливается под действием фермента йод-редуктазы до йодид-иона, который принимает участие в биосинтезе тиреоидных гормонов щитовидной железы [Мохнач, 1968].

Механизм биосинтеза йодсодержащих гормонов щитовидной железы до конца не выяснен. В настоящее время известны две гипотезы синтеза трийодтиронина и тироксина. По одной из них в щитовидной железе под действием фермента происходит присоединение йода к готовой молекуле тиреоглобулина, после чего образовавшаяся молекула расщепляется с выделением тироксина и других йодсодержащих гормонов. По другой - происходит непосредственное йодирование тирозина, а затем - последующий синтез белка тиреоглобулина. Вероятен ступенчатый биосинтез тироксина - йодирование молекулы тирозина с образованием дийодтиронина на первом этапе и ферментативная конденсация двух молекул дийодтиронина с образованием тироксина и выделением аланина - на втором.

В циркулирующей крови около 75% йода находится в виде органических соединений, остальная часть йода представлена йодид-ионом. У здорового человека концентрация свободных тиреоидных гормонов в плазме крови очень низкая. Более 90% органических соединений йода представлено тироксином, связанным со специфическими тироксинсвязывающими белками плазмы: альфа-глобулином, преальбумином и альбумином. Трийодтиронин также циркулирует в крови в связанном состоянии, но его связь с белками плазмы менее прочная. Кроме этих основных форм, в плазме крови в незначительном количестве присутствуют и другие йодированные компоненты: 2-монойодгистидин, 4-монойодгистидин, тироксамин и 4-окси-3,5-ди-йодфенилпировиноградная кислота. Эти вещества представляют собой промежуточные продукты метаболизма йодсодержащих гормонов щитовидной железы.

Поступающие из плазмы крови в ткани тиреоидные гормоны освобождаются от связи со специфическими белками плазмы и выполняют свою гормональную функцию. Изучение гормональной активности различных йодированных тиронинов показало, что только 3,5-ди-йодтиронин, 3,3',5-трийодтиронин и тироксин обладают гормональной активностью, прочие соединения этого класса инертны. Максимальной активностью обладает 3,З'5-трийодтиронин, активность тироксина в четыре раза ниже. Для того чтобы соединение обладало гормональной активностью, необходимо и достаточно наличие двух атомов йода в положениях 3 и 5 внутреннего ароматического кольца молекулы тиронина.

Каков же механизм гормонального действия тиреоидных гормонов? Исследования показывают, что первой фазой гормонального действия является присоединение молекулы гормона к белку за счет амино- и карбоксильной групп аланинового остатка. Затем атом йода, находящийся в положении 5 внутреннего ароматического ядра, отдает один электрон и приобретает положительный заряд. Эта форма йода обладает максимальной биологической активностью. Отданный йодом электрон затрачивает часть своей энергии на синтез аденозинтрифосфорной кислоты из аденозиндифосфата и фосфорной кислоты. Энергия электрона может акцептироваться также ди- и трифосфопиридиннуклеотидом. В конечном итоге энергия запасается в виде макроэргических связей.

Положительно заряженный атом йода захватывает электрон с низкой энергией из сопряженной окислительной цепи. При этом молекула гормона возвращается к своему исходному состоянию, в котором она снова может служить донором электрона, обладающего высокой энергией. Эта модель объясняет появление источника энергии в виде слабого электрического тока, при помощи которого создаются макроэргические связи и который лежит в основе такой важной функции тиреоидных гормонов, как теплообразование.

В чем же состоит уникальность действия тиреоидных гормонов? Почему йод не может быть заменен никаким другим химическим элементом? В большинстве ферментных систем, осуществляющих запас энергии за счет окислительно-восстановительных процессов, необходимым условием функционирования является синхронный перенос двух электронов с молекулы-донора на субстрат. Там, где требуется перенос одного электрона, тиреоидные гормоны становятся абсолютно незаменимыми. Кроме того, перенос электрона тиреоидными гормонами осуществляется на субмолекулярном уровне; он не связан с перестройкой молекулярной структуры гормона, а потому каждая молекула гормона может обеспечить огромное количество биохимических превращений.

Исследования показали, что йодсодержащие гормоны содержатся в печени, почках, мозге, мышцах и пищеварительном тракте. Именно в этих органах в наибольшей степени нарушается обмен веществ при дисфункции щитовидной железы. Тиреоидные гормоны контролируют скорость обмена веществ, рост и развитие организма, метаболические процессы - общий белковый углеводный и жировой обмен; промежуточный жировой обмен жирных кислот, холестерина и фосфолипидов; превращение каротина в витамин А; промежуточный белковый обмен - накопление белка в тканях, особенно в связи с гормонами роста, мобилизацию тканевых белков при неадекватном по калорийности питании; обмен витаминов, кальция, каротина; водный и электролитный обмен; функционирование всех систем организма; реакцию на лекарственные вещества; сопротивляемость инфекциям.

Оказав гормональное действие, отработавшие молекулы тироксина подвергаются метаболическим превращениям. Период полураспада тироксина равен 6-7 дням, трийодтиронина - 2 - 3 дням. В ходе метаболизма молекулы гормонов подвергаются дейодированию, дезаминированию, декарбоксилированию, этерификации фенольной группы. При дейодировании йодтиронинов отщепившийся

от молекулы гормона йод частично вновь используется щитовидной железой для биосинтеза тиреоидных гормонов. Дезаминирование приводит к образованию кетокислот - трийодтиропировиноградной, трийодтироуксусной, тетрайодтиропировиноградной и тетрайодтироуксусной. При декарбоксилировании тироксина образуется тироксамин. В печени происходит образование сложных эфиров тиронинпроизводных с глюкоуроновой кислотой, в почках образуются аналогичные сернокислые эфиры, которые выводятся из организма. В норме потери йода с мочой составляют для взрослого человека 50-60 мкг, соответственно потребность организма в йоде составляет эту величину. Потребность беременных и кормящих женщин, растущего организма и при физических нагрузках в 1,5-2 раза выше.

Рассмотрение физиологических функций йодсодержащих гормонов делает понятным этиологию и патогенез заболеваний, связанных с йодной недостаточностью. Наиболее распространенной клинической формой йодной недостаточности является эндемический зоб. Всемирная организация здравоохранения называет эндемический зоб одним из наиболее распространенных заболеваний, связанных с недостаточностью питания. В начале шестидесятых годов около 200 миллионов человек страдало этим недугом [Эндемический зоб, 1965], за последние сорок лет эта цифра вряд ли уменьшилась.

Клинические проявления эндемического зоба - увеличение щитовидной железы за счет разрастания соединительной ткани. Усиленное разрастание соединительной ткани при участии тиреотропного гормона формирует зоб.

Увеличение щитовидной железы, то есть зоб, далеко не единственное последствие йодной недостаточности. На фоне существенного снижения интенсивности процессов обмена веществ развивается микседема, то есть накопление в значительных количествах в подкожной соединительной ткани межтканевой жидкости, богатой белками. Нарушения обмена липидов при йодной недостаточности приводят к повышению содержания холестерина в крови и провоцируют развитие атеросклероза. При понижении функции щитовидной железы атеросклероз развивается не только гораздо чаще, но и в более молодом возрасте. Напротив, гормоны щитовидной железы останавливают развитие атеросклеротических симптомов и в определенной степени нормализуют деятельность сердечнососудистой системы. Клинические исследования показывают, что при лечении атеросклероза препаратами йода происходит снижение количества холестерина и нейтральных жиров в плазме крови [Мохнач, 1974]. Таким образом, профилактика йодной недостаточности одновременно является профилактикой атеросклероза и вызываемых им смертельно опасных заболеваний - инсультов, ишемической болезни сердца, инфарктов миокарда.

Так как йод является незаменимым микробиоэлементом, то в зонах йодной недостаточности часто наблюдаются признаки недоразвития организма и биологического вырождения. В силу особенностей физиологических процессов женщины гораздо больше страдают от йодной недостаточности, чем мужчины. Клинические проявления эндемического зоба встречаются у них в 1,5-4 раза чаще, чем у мужчин. Особенно велика потребность в йоде у беременных женщин и у кормящих матерей. В условиях нормального физиологического течения беременности у женщин усиливается продуцирование гормонов щитовидной железы, что создает благоприятные условия для развития плода. В условиях йодной недостаточности щитовидная железа не способна синтезировать необходимое количество гормонов. Это является причиной различных форм патологических состояний — недонашивания, мертворождения, токсикозов беременности, диспепсии, недостатка молока у матерей.

Тяжелые степени йодной недостаточности на этапе дифференциации эмбриона и органогенеза могут быть причиной необратимых психических нарушений - глухонемоты и кретинизма. Эндемический кретинизм, являющийся, по мнению многих авторов, наиболее важным аспектом йодной недостаточности, появляется только в районах распространения тяжелого эндемического зоба. Его частота коррелирует с тяжестью зобной эндемии. Еще в средние века в высокогорных районах Альп были известны «деревни дураков», большинство жителей которых страдало кретинизмом. Раньше считалось, что в таких деревнях «правит бал сатана». Истинные причины этого явления были установлены французским ученым Шатеном в середине девятнадцатого века. Он же предложил использовать препараты йода для профилактики кретинизма и лечения эндемического зоба. Однако эта проблема не решена в мировом масштабе до сих пор. Районами современного распространения кретинизма являются Австрия, Эквадор, Пакистан, Филиппины, Папуа - Новая Гвинея и некоторые другие [Де Мейер и др., 1981].

Кретинизм является крайней формой проявления йодной недостаточности. Однако достоверно установлено, что менее выраженная степень йодной недостаточности также вызывает задержку психомоторного развития, но без классической картины эндемического кретинизма. Число таких больных и их значение с социально-экономической точки зрения выше числа и значения больных настоящим типичным эндемическим кретинизмом [Stanbury, 1971]. У взрослых при йодной недостаточности нарушения обмена веществ приводят к резкому снижению физической и умственной работоспособности.

Таков далеко не полный обзор специфических физиологических функций соединений йода в организме человека. Еще раз подчеркнем, что эти функции не могут взять на себя никакие другие химические элементы и соединения. Однако есть другая область физиологической активности йода и некоторых его соединений. Речь идет о токсичности положительно поляризованного одновалентного йода в первую очередь для бактерий, грибов и некоторых других микроорганизмов.

Применение йода в качестве антисептика было начато великим русским хирургом Н.И. Пироговым еще в середине девятнадцатого века. Сто лет назад пятипроцентный спиртовой раствор молекулярного йода был предложен немецким хирургом Гроссихом в качестве антисептического средства для обработки операционного поля и рук хирурга. Настойка йода не потеряла своего значения в качестве дезинфицирующего средства до настоящего времени.