Железо и его биологическое значение для организма подростка

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Железо и его биологическое значение для организма подростка

Соловьёва Э.С. 1
1МБОУ СОШ №14
Чайка Л.Н. 1
1МБОУ СОШ №26,
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность любой темы определяется, прежде всего, вопросом: каким образом, эта тема относится к здоровью человека (в нашем случае подростка) и его жизни? Микроэлемент железо в организме подростка играет значительную роль. Важность проблемы дефицита железа в организме подростка обусловлена тем, что снижение работоспособности, задержка умственного и психического развития организма ставит его в состояние невозможного нормального функционирования.

Элемент железо (Fe), является одним из самых важных металлов, с которым неразрывно связана история нашей цивилизации. А в таблице Менделеева нет металла, подобного Fe, применение и использование которого настолько значимо для человека. В древности у некоторых народов железо ценилось даже дороже золота. Кроме того, учитывая, что железо это кроветворный элемент, который входит в состав крови, мы можем предположить, что знания, полученные в процессе исследования, сможем применить в жизни. В связи с возникшими вопросами сформулирована тема исследовательской работы: «Железо и его биологическое значение для подростка»

Цель: исследовать элемент железо и его биологическую роль в жизнедеятельности подростка.

Для достижения поставленной цели определены задачи:

1. Проанализировать литературу, документы, материалы интернет ресурсов, изучающие железо и его биологическую роль в жизни подростка.

2. Изучить общие сведения железа как химического элемента, его свойства и биологическую роль.

3. Подобрать методики по определению содержания ионов железа в некоторых продуктах, провести опыты, составить таблицы, характеризующие относительное содержание железа в исследуемых продуктах питания.

4. Провести тестирование дефицита железа у подростков и составить пакет рекомендаций о применении полезных железосодержащих продуктов.

Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования: теоретический метод исследования – обзор источников; практические методы: качественная реакция на определение ионов железа; тестирование; описание; систематизация материала.

Объект исследования – железо.

Предмет исследования – свойства железа и его биологическая роль.

Обзор литературы

По документам и научно-литературным источникам, изучающим свойства железа и его биологическую роль стало понятно, что спорить с тезисом: «в мире железо играет важную роль», нет смысла. Так как информация о железе имеется в источниках разных направлений: от литературы, истории, археологии и медицинских трактатов до химии, физики и других. Уже из учебников истории нам известно: древнейшие изделия, из железа найденные при археологических раскопках датируются примерно IV тыс. до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Изделия из железа того времени это наконечники для стрел и украшения. Человек начал использовать железо еще в доисторической эпохе, скорее всего с тех пор, когда ему в руки попало железо метеоритного происхождения, точнее, сплав железа и никеля, из которого состоят метеориты. В древности его так и называли сидерит, что означает звёздный. Сидерит – это название природного карбоната железа, которое происходит от лат. Sidereus. Кроме того, мы узнали, что есть несколько версий происхождения славянского слова «железо». Одна из версий связывает это слово с санскритским «жальжа», что означает «металл, руда». По другой версии в слове славянский корень «лез», тот же, что и в слове «лезвие» (так как железо в основном употреблялось на изготовление оружия). Также отмечаются использование железа при выплавке и изготовлении орудий и инструментов в 1200 году до нашей эры. Уже в первом тысячелетии до нашей эры использовалось кованое железо. Латинское название Ferrum происходит от fars, что значит быть твёрдым. [7]

Железо входит в состав гемоглобина крови, обеспечивая, за счет своих окислительно-восстановительных свойств, ее важнейшую функцию, транспорт кислорода в ткани организма. В крови взрослого человека содержится около 4 г железа, его недостаток приводит к заболеванию железодефицитной анемией. Восполнить недостаток железа можно за счет пищевых продуктов, содержащих железо в хорошо усвояемой форме (печень, мясо, бобовые) или медикаментов. [7]

Железо с древнего времени использовалось в качестве лекарства: в папирусах Египта ржавчина предписывалась в качестве мази от облысения. В XVII веке стали применять железо для лечения болезни хлороз, что следствием его дефицита. Уже в прошлые века установлено, что железо для жизнедеятельности организма является одним из наиболее важных биоэлементов и участвует в транспортировке газов кровью.

Проблему воздействия недостатка железа или железодефицитной анемии у подростков рассматривают многие научные деятели, как в нашей стране, так и за рубежом. Российский научный деятель, к.м.н., доцент кафедры госпитальной педиатрии №1, ГБОУ ВПО РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава РФ, г. Москва, А.С. Боткина, врач высшей категории, в журнале «ПРАКТИКА ПЕДИАТРА», описывает исследования железодефицитной анемии у подростков.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы: основной теоретический метод – обзор и анализ литературы, документов, материалов интернет ресурсов, текстов по изучаемой теме с использованием интегративного подхода, с привлечением знаний, накопленных в разных науках (химии, биологии, истории медицыны и других); обобщение, конспектирование. Практические методы: опыты, тестирование, обобщение результатов.

Основная часть

Общие сведения о железе как химическом элементе. Проанализировав знания о железе, полученные на уроках химии и дополнив их новой информацией из Википедии и интернет-источников, мы имеем возможность обобщить их. Таким образом, можем констатировать: железо – это химический элемент, который встречается в природе. Это металл 4-го периода, VIII группы побочной подгруппы. Атомный номер 26 в Периодической Системе Химических Элементов, (в таблице Д.И. Менделеева), обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Строение атома железа представлено на (рис. 2).

Железо или Ferrum – это блестящий, серебристо-белый, мягкий (ковкий) металл, который растворяется в разбавленных кислотах. Металл железо во влажном воздухе покрывается ржавчиной, которая не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe2O3·хH2O. Входит в состав сотен минералов, встречается и в виде самородного железа. Занимает первое место по важности для человека. В промышленности всего мира железо широко применяется в виде различных видов сталей и сплавов. По данным спектрального анализа много железа находится в небесных телах. В природе Fe – один из самых распространенных элементов. На Земле железные руды распространены довольно широко. Названия уральских гор говорят за себя сами: Железная, Магнитная. [7]

В настоящее время мы можем говорить о железе как об одном из наиболее распространенных веществ, как на Земле, так и во Вселенной. Анализируя информацию о составе Земли в источниках по геологии имеем, что земная кора почти на 5%, а ядро на 90% состоит из железа. Из минералов наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3), магнитный железняк (магнетит, Fe3O4), бурый железняк или лимонит (FeOOH и FeOOH·nH2O). Пирит FeS2 (серный или железный колчедан) используется в производстве серной кислоты. Наиболее распространённым промышленным 
способом получения железа является доменный процесс, в основе которого восстановление оксидом углерода(II): Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2↑. Используется также прямой способ получения железа, в котором железные окатыши при 1000oС восстанавливают водородом, получаемым при конверсии метана: Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O↑.

Химические свойства:

Железо относится к металлам средней активности, в ряду напряжений стоит до водорода и растворяется во многих кислотах, но концентрированной серной и азотной кислотами пассивируется и на холоду с ними не реагирует. Раскаленное железо реагирует с водяным паром: 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑ (раньше так получали водород для наполнения аэростатов).
При нагревании железо реагирует со многими неметаллами, часто образуя соединения нестехиометрического состава карбиды, бориды, силициды, нитриды и др. Наиболее характерными для железа являются 
степени окисления +2 и +3, известны также соединения, где железо имеет степень окисления +6.

Важные соединения: Степень окисления +2 - основный оксид FeO (чёрный), гидроксид Fe(OH)2 (зеленый). Соли железа(II) (бледно-зеленого цвета), образуют кристаллогидраты (напр. железный купорос, FeSO4*7H2O), легко окисляются кислородом до соединений железа(III).

Степень окисления +3 - наиболее устойчивая степень окисления железа, ей соответствуют: оксид Fe2O3 и гидроксид Fe(OH)3 (оба - коричневого цвета).

 Для железа в степени окисления +2 и +3 характерно образование многочисленных комплексных соединений, например, таких как гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] («желтая кровяная соль») и гексацианоферрат(III) калия K3[Fe(CN)6] («красная кровяная соль»). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4- выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата(II) калия-железа(III) (берлинская лазурь): FeCl3 + K4[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6]↓ + 3KCl. Это качественная реакция для обнаружения ионов Fe3+. Аналогичная реакция используется для открытия ионов железа (II): FeCl2 + K3[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6]↓ + 2KCl; («турнбулева синь»).

Биологическая роль железа. Железо является одним из основных микроэлементов во всех живых организмах, поэтому довольно сложно переоценить его роль и значение для организма подростка. Из микроэлементов участвующих в регуляции обменных процессов организма человека, железо – это один из значимых, так как он принимает участие в таких процессах как тканевое дыхание, имеет влияние на иммунную систему, входят в состав белков и ферментов. Потребность в железе в организме подростка определяется его затратами в процессе жизнедеятельности. Для более точного исследования данной проблемы, мы проанализировали информацию потребности в железе в двух странах: России и США. Проанализированы две таблицы из нижеследующих источников: 1. «Рекомендованное потребление железа» по данным Национальной академии медицины США, из источника: Creative Commons Attribution-ShareAlike.; [6] 2. «Суточная потребность в железе для детей и подростков в РФ», представленную к.м.н., врачом высшей категории, А.С. Боткиной, в журнале «ПРАКТИКА ПЕДИАТРА». [1] Анализируя данные таблицы, приходим к выводу, что в зависимости от возраста и пола, потребность организма подросткового и юношеского возрастов в железе зависит от различных факторов. Мы выбрали из двух таблиц, информация о которых представлена выше, интересующую нас возрастную категорию 10 – 17 лет и объединили (табл. 1).

Таблица 1.

Суточная потребность в железе для подросткового и юношеского возрастов

Возраст

8-11
лет

   

Примечания

11-14 лет

14-17 лет

муж.

жен.

муж.

жен.

Потребность в железе, мг/кг/сут.

1,1-2,0

2,0

2,0

2,0-2,1

2,0-2,4

В РФ

Железо
мг/сут.

12

12

15

15

18

Железо

мг/сут.

8-10

8-11

8-15

11

15

В США

Содержание гемоглобина г/л

115-145

120-160

112-150

117-160

115-153

 

Потребность организма подросткового и юношеского возрастов в железе колеблется в России: на килограмм веса в диапазоне от 1,1 до 2,4 мг/кг/сут.; Железо мг/сутки в диапазоне от 12 до 18 мг/сут. В США колеблется: Железо мг/сутки в диапазоне от 8 до 15 мг/сут.

Железо входит в состав гемоглобина крови, обеспечивая, за счет своих окислительно-восстановительных свойств, ее важнейшую функцию, транспорт кислорода в ткани организма. В крови взрослого человека содержится около 4 г железа, его недостаток приводит к заболеванию железодефицитной анемией. Восполнить недостаток железа можно за счет пищевых продуктов, содержащих железо в хорошо усвояемой форме (печень, мясо, бобовые) или медикаментов.

Причины и факторы, указывающие на дефицит железа в организме, а также симптомы, которыми проявляется дефицит железа, проанализированы, выделены и указаны в (табл. 2).

Таблица 2.

Причины, факторы и симптомы, указывающие на дефицит железа в организме.

п\п

Причины и ситуации

Факторы

Симптомы, указывающие на дефицит железа

1

Тип питания:

Недостаточное;

Нерациональное;

Несбалансированные диеты.

1.Общая слабость, бледность,

недомогание, синюшность ногтевых пластин и губ;

2. Трещины на губах, стоматиты

3.Снижение внимания и концентрации, быстрая утомляемость, сонливость;

4.Задержка роста и развития у детей;

5.Ломкость ногтей и выпадение волос;

6.Нарушения вкуса, возникновение необычных вкусовых пристрастий, иногда тошнота и изжога;

7.Снижение иммунитета и, следовательно, склонность к ОРВИ;

8. Одышка и учащение пульса.

2

Факторы, нарушающие всасывание и транспорт железа:

Заболевания пищеварительной системы;

Недостаток витамина С;

Глистные инвазии;

Наличие хронической инфекции;

Нарушение транспортировки железа

3

Ситуации, способствующие быстрому выведению железа:

Периоды быстрого роста организма;

Наличие кровопотери (острой, хронической или периодической)

В соответствии с вышеперечисленными факторами можно выделить группы риска по развитию железодефицитной анемии, когда дефицит Fe возникает чаще, а последствия для организма подростка более значимы:

дети в период бурного роста (период пубертата);

девушки в период становления менструальной функции;

вегетарианцы;

спортсмены;

подростки с хроническими заболеваниями.

По данным доктора А.С. Боткиной: «Особую группу риска составляют подростки с хроническими заболеваниями, такими как заболевания желудка и двенадцатиперстной кишки, в том числе ассоциированные с Н. pylori, повторные кишечные инфекции, лямблиоз, глистные инвазии, воспалительные заболевания кишечника, инфекционные заболевания (туберкулез, бруцеллез, микоз и пр.), атрансферринемия, коллагенозы». [1, с.3]

Так как подростки входят в группу риска по развитию железодефицитных состояний по целому ряду причин, рассмотренных в предыдущем параграфе, мы можем предположить, что значимой и важной задачей является разработка новых программ выявления железодефицитных состояний у подростков с целью своевременной диагностики. (Данный тест не является медицинским исследованием. Результаты тестирования помогут лишь выявить, всё ли в организме в порядке с железом.)

Мы разработали тест «Порядок ли у вас в организме с железом», состоящий из шести вопросов, на которые нужно ответить однозначно: да или нет. Прил.1. В тестировании приняли участие 14 учащихся 8-го класса. Данные тестирования занесены в таблицу (табл. 2.)

Таблица 2. Данные теста «Порядок ли у вас в организме с железом»

№ п\п

Имя

Номер вопроса

1

2

3

4

5

6

1

Софья П.

да

нет

нет

нет

нет

нет

2

София Б.

да

нет

нет

да

нет

нет

3

Саша Г.

нет

нет

нет

нет

да

нет

4

Альберт О.

нет

нет

нет

нет

нет

нет

5

Катя Ш.

да

нет

нет

нет

да

нет

6

Настя В.

да

да

нет

нет

нет

нет

7

Тэлли Б.

нет

нет

нет

нет

да

нет

8

Злата М.

нет

нет

нет

нет

да

нет

9

Алена Г.

нет

нет

нет

нет

нет

да

10

Миша Д.

нет

нет

нет

нет

нет

да

11

Никита С.

нет

нет

нет

нет

нет

нет

12

Даша Л.

нет

нет

нет

нет

нет

нет

13

Антон М.

нет

нет

нет

нет

да

нет

14

Настя З.

да

нет

нет

да

нет

нет

В процессе исследования выяснено, что при недостатке железа в организме развивается заболевание железодефицитная анемия. С помощью теста «Порядок ли у вас в организме с железом», проведена примерная оценка обеспеченности организма подростков железом.

По результатам тестирования составлена диаграмма 1. По диаграмме мы имеем возможность определить насколько в порядке с железом в организме у тестируемых.

Диаграмма 1. Результаты теста «Порядок ли у вас в организме с железом»

Результаты тестирования:

У троих человек абсолютно отсутствуют признаки дефицита железа в организме (21,5%).

Четверо учащихся имеют признаки недостатка железа в организме (28,5%).

У семи человек имеются не явные признаки недостатка железа в организме (50%).

Четверым учащимся нужно рекомендовать обратиться к врачу с целью выяснения % гемоглобина в крови.

Необходимо обогатить рацион подростков продуктами – основными источниками железа, при этом имеет значение не только количество железа в конкретном продукте, но и степень его всасывания, и возможность усвоения организмом.

Некоторые вещества и пищевые продукты влияют на усвоения железа в организме подростка (табл. 3)

Таблица 3. Факторы, влияющие на эффективность усвоения железа

№ п\п

Вещества

Эффект усвоения

1

Аскорбиновая кислота (витамин С)

значительно улучшает всасывание железа;

2

Кофеин, танины чая и кофе

снижают процент усвоения железа;

3

Фитиновая кислота

способствует снижению усвоения;

4

Оксалаты (соли щавелевой кислоты)

оказывают негативный эффект на всасывание железа;

5

Кальций

может снижать способность к усвоению.

Ситуации переизбытка железа в организме наблюдается при:

нарушении обмена железа;

избыточном употреблении продуктов, содержащих железо, а также воды с чрезмерным содержанием этого элемента;

патологиях печени и селезенки;

генетическом заболевании под названием гемохроматоз.

6. Результаты и обсуждение

Элемент железо (Fe), является одним из самых важных металлов, с которым неразрывно связана история нашей цивилизации. Микроэлемент железо в организме подростка играет значительную роль. Важность проблемы дефицита железа в организме подростка обусловлена тем, что снижение работоспособности, задержка умственного и психического развития организма ставит его в состояние невозможного нормального функционирования. Питание помогает поддерживать нормальный баланс железа в организме после лечения. Однако когда анемия уже развилась, ее нельзя вылечить только диетой: железодефицитная анемия лечится препаратами железа.

Рекомендации о применении железосодержащих продуктов:

Мясо, особенно красное (телятина, говядина, баранина), является лучшим источником гемового железа, из него усваивается 20–25% железа. Железо из курицы и свинины усваиваются в меньшей степени. А в печени и рыбе железо содержится в виде ферритина и гемосидерина, поэтому усваивается еще хуже.

Негемовое железо (овощи, фрукты, орехи) усваивается плохо (1–5%), причем на его усвоение влияет много факторов, которые могут как улучшать, так и ухудшать его всасывание. Так, усиливают всасывание железа: витамин С (особенно много в цитрусовых), соляная кислота (содержится в желудочном соке), фруктоза (фрукты, мед). Ухудшают всасывание железа: препараты, снижающие кислотность желудочного сока (антисекреторные препараты, антациды), кальций (много в молочных продуктах), оксалаты (шпинат, капуста, свекла, орехи, шоколад, чай и пр.), полифенолы (какао, кофе, черный и некоторые виды травяного чая), фитиновая кислота (грецкие орехи, миндаль, бобовые, отруби) [4].

Выводы:

1. В ходе работы проанализирована литература, документы, материалы интернет ресурсов, которые связаны с изучением железа, не только как химического элемента, но и его биологической роли в жизни подростка.

2. Изучены общие сведения о железе как химическом элементе, его свойствах и биологической роли.

3. Проведены опыты на определение ионов железа в некоторых химических веществах и яблоках, составлены таблицы, характеризующие относительное содержание железа в некоторых продуктах питания.

4. Составлены рекомендации о применении полезных для подростка железосодержащих продуктов.

Список литературы

Боткина А.С. Железодефицитная анемия у подростков. // Практика педиатра, М.,2015, № 3, с. 6-7.

Городецкий В.В., Годулян О.В. Железодефицитные состояния и железодефицитная анемия: лечение и диагностика (метод. рекомендации). М., 2006, с. 25.

Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов. – 4-е изд., стер., М.: Химия, 2000, с. 529.

Тарасова И.С., Чернов В.М. Новые направления в диагностике, лечении и профилактике железодефицитных состояний // Современная педиатрия, М., 2012, № 2, с. 18–24.

Химическая энциклопедия: в 5 тт. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.)., М.: Советская энциклопедия, 1990. Т. 2., С. 140. 671 с.

https://wikimediafoundation.org/Текстдоступенполицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike (дата обращения: 05.02.2020);

https://ru.wikipedia.org/wiki. Свободнаяэнциклопедия (датаобращения: 02.02.2020).

Просмотров работы: 28