15.5. Биологическая роль элементов 15-й группы

Распространенность элементов 15-й группы в природе уменьшается по мере увеличения атомной массы N > Р > As > Sb > Bi. Азота в растениях (0,3%) и животных (3,1%) значительно больше, чем в почвах. Содержание фосфора в растениях (0,07%) и животных (0,96%) несколько меньше, по сравнению с азотом. Мышьяк содержится в растениях (3×10^-5%) и животных (10^-6 -10^-5%) в виде примесей. Сурьмы и висмута в растениях и животных еще меньше.

Азот. По содержанию в человеческом организме (3,1%) азот относится к макроэлементам. Он входит в состав большинства биоактивных веществ и играет важную роль в регулировании биопроцессов. В таких биоактивных соединениях, как амиды, аминокислоты и амины, азот находится в степени окисления -3.

Растения извлекают азот в основном из почвы. Поэтому почва истощается и становится менее плодородной, так как азот является необходимым элементом для роста растений. Вследствие постоянного истощения почвы необходимо вносить в нее азотные удобрения. Поэтому существует многотоннажное производство азотных удобрений. Поскольку азота в атмосфере значительно больше, чем в земной коре, с начала XX века предпринимались шаги по получению азотных соединений с использованием атмосферного воздуха. Существуют различные способы фиксации азота из атмосферного воздуха (см. разд. 15.2.1).

Биологически важным свойством азота является его высокая растворимость в воде. При резком падении давления растворимость азота в крови уменьшается по закону Генри. Такое резкое падение давления наблюдается, например, при быстром подъеме водолазов (декомпрессия). В результате падения растворимости азота из крови выходят пузырьки молекулярного азота, которые закупоривают мелкие сосуды. Это может привести к параличу и смерти. Избыток азота в крови вызывает так называемую кессонную болезнь.

В биосфере происходит круговорот азота по следующей схеме:

Атмосферный азот N₂ ® Азотфиксирующие бактерии ® NH₃ ® Нитрифицирующие бактерии ® Нитраты ® Растения ® Аминокислоты ® Животные и человек ® NH₃.

Аминокислоты, являющиеся основными строительными блоками белков, можно представить как производные аммиака, где один из атомов водорода замещен остатком карбоновой кислоты:

NH₃ ® Н—NH—СНR—СООН

Организмы животных и человека не способны синтезировать все необходимые аминокислоты из более простых предшественников. Поэтому животные должны получать хотя бы часть необходимого им азота в виде аминокислот. Растения могут использовать растворимые нитраты в качестве источника азота. Молекулярный газообразный азот могут усваивать лишь немногие низшие организмы, например, бактерии.

Аммиак при вдыхании оказывает возбуждающее влияние на дыхательный центр, а в больших дозах вызывает удушье. Нейтральные молекулы аммиака легко проходят через клеточные мембраны и могут воздействовать на мозг, тогда как ионы аммония, содержащиеся в крови в больших количествах, не могут проникать через мембраны. При рН = 7,4 аммиак в крови почти полностью находится в виде ионов аммония.

В медицинской практике для первой помощи используется нашатырный спирт (10%-й раствор аммиака), который дают нюхать больным для выведения их из обморочного состояния.

Хлорид аммония NH₄Cl используется в медицинской практике в качестве мочегонного средства. Медицинское действие этого препарата обусловлено реакциями

NН₄⁺ + 2Н₂О D NH₃×Н₂О + Н₃О⁺,

2NН₄⁺ + СО₂ + Н₂О = CO(NH₂)₂ + 2Н₃О⁺.

Образовавшийся избыток ионов Н₃О⁺ выводится из организма почками с мочой. Хлорид аммония используют также при коррекции алкалоза (перещелачивание крови). В данном случае образовавшиеся ионы Н₃О⁺ при введении NH₄Cl нейтрализуют избыточные ионы ОН¯.

Кислородные соединения азота также обладают биологической активностью. Оксид азота N₂O (веселящий газ) используется для наркоза. Среди лекарственных азотсодержащих средств хорошо известны нитроглицерин и нитрит натрия. Последний, однако, в последнее время практически не применяется в лечебной практике из-за токсичности. Дело в том, что под воздействием нитритов гемоглобин превращается в метагемоглобин, который не способен связывать и переносить кислород. Нитриты хорошо известны также как консерванты, и их до последнего времени добавляли в колбасные изделия. Токсичность нитритов, как и азотной кислоты, заключается в их способности выступать в роли дезаминирующих агентов. Они способствуют окислению аминогрупп нуклеиновых оснований. В результате происходит повреждение участков ДНК.

В очень незначительных количествах некоторые неорганические нитриты (RON=O) и органические нитраты (RONO₂) улучшают коронарное кровообращение и применяются для профилактики при ишемической болезни сердца и для снятия приступов стенокардии.

Фосфор. Фосфор также относится к макроэлементам: его содержание в организме человека достигает 0,95%. Фосфор играет исключительно важную роль в обмене веществ и является органогеном. Он входит в состав белков (0,5 - 0,6%), нуклеиновых кислот и нуклеотидов.

Много фосфора в мозге человека, скелет человека содержит до 2 кг Са₃(РО₄)₂ (в костях человека -26% фосфата кальция, остальное - органические соединения). В моче фосфор находится в виде NaNH₄HPO₄. В зубной эмали, мускульной, нервной и мозговой ткани фосфор присутствует главным образом в форме лецитина (соединение жиров с фосфорноглицериновыми эфирами).

Животные и человек получают фосфор через растительную пищу. В 100 кг зерна содержится 1 кг фосфорной кислоты. Выращивание и уборка сельскохозяйственных культур обедняют почву фосфором. Чтобы его содержание осталось в норме, необходимо на 100 кг почвы вносить с удобрениями 0,1 - 0,2 кг фосфорной кислоты.

Круговорот фосфора в природе включает несколько этапов: почва - растения - животные (человек), и поэтому равновесие наступает медленно. Это делает необходимым использование в сельском хозяйстве фосфорсодержащих удобрений.

Одной из основных буферных систем крови является фосфатная, с помощью которой осуществляются многие реакции биосинтеза с переносом фосфатных групп от высокоэнергетического акцептора к низкоэнергетическому. Такие вещества, как сахара и жирные кислоты, без предварительного фосфорилирования не могут быть использованы в качестве источников энергии. Поэтому без фосфора живые организмы не могут обходиться.

Суточная потребность человека в фосфоре составляет 1,3 г. Фосфор поступает в организм вместе с пищевыми продуктами. Однако его усвоение из пищевых продуктов зависит от многих факторов. Так, при увеличении содержания кальция уменьшается количество неорганического фосфора в крови (антагонизм). Поэтому на всасываемость фосфора влияет соотношение концентраций кальция и фосфора в пище. Кроме того, на усвояемость фосфора влияет наличие в пище жирных кислот, в первую очередь витамина D, и рН.

Однако многие соединения фосфора отличаются высокой токсичностью. Так, белый фосфор очень токсичен, что обусловлено его хорошей растворимостью в жирах и, следовательно, способностью проникать через мембраны клеток. Для взрослого человека приблизительно 0,1 г фосфора считается смертельной дозой. Красный фосфор вследствие его нерастворимости нетоксичен.

Фосфорорганические соединения со связью Р-С являются сильными нервно-паралитическими ядами и входят в состав боевых отравляющих веществ (зарин, зоман и др.). Высокой токсичностью обладает и фосфин.

Для медицины и биологии наибольший интерес представляют кислородные соединения фосфора. С биологической точки зрения чрезвычайно важную роль играют аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которые образованы аденозином и соответственно дифосфорной (Н₄Р₂О₇) и трифосфорной (Н₅Р₃О₁₀) кислотами.

Эти два нуклеотида участвуют в энергетическом обмене во всех живых организмах. АТФ выполняет роль универсального аккумулятора и переносчика энергии: под действием специальных ферментов концевые фосфатные группы отщепляются с освобождением энергии, идущей на биосинтез, мышечное сокращение, нервный импульс и другие процессы жизнедеятельности. Кроме того, АТФ-субстрат в биосинтезе рибонуклеиновых кислот.

Во внутриклеточной жидкости АТФ и АДФ присутствуют в виде комплексов магния. Наиболее активной формой АТФ как донора фосфорной группы является комплекс MgАТФ¯.

Мышьяк. Мышьяк относится к микроэлементам. Его содержание в организме человека незначительно (1×10^-6%), он концентрируется в печени, почках, селезенке, легких, костях, волосах. Больше всего мышьяка накапливается в волосах и костях. При этом в течение нескольких лет мышьяк не выводится из них полностью, что используется в судебной экспертизе при выяснении вопроса, имело ли место отравление соединениями мышьяка.

Несмотря на хорошо известные токсические свойства соединений мышьяка, есть достоверные данные, согласно которым недостаток мышьяка приводит к понижению рождаемости и угнетению роста (доказано на подопытных крысах, свиньях, козах). Добавление в пищу арсенита натрия приводит к увеличению скорости роста. Препараты мышьяка - ноноарсенол, осарсол и др. применяются при лечении тяжелых инфекционных заболеваний. Однако в больших дозах соединения мышьяка очень ядовиты.

Токсическое действие соединений мышьяка обусловлено блокированием сульфгидрильных групп ферментов и других биологически активных веществ.

Сурьма и висмут. В организме человека сурьмы и висмута меньше даже по сравнению с мышьяком (10^-7%). Но все же, хотя сурьма и висмут относятся к примесным микроэлементам, они постоянно присутствуют в живых организмах.

Ионы мышьяка, сурьмы и висмута в степени окисления +3 являются синергистами. Например, при избытке мышьяка в организмах увеличивается содержание сурьмы. При этом как мышьяк, так и сурьма накапливаются в щитовидной железе, угнетают ее функцию и вызывают эндемический зоб. Сурьма по аналогии с мышьяком проявляет склонность к образованию соединений с серосодержащими лигандами. В отличие от них висмут легче образует соединения с аминами. Поэтому попадание растворимых соединений висмута в организм приводит к угнетению ферментов амино- и карбоксиполипептидазы.

В отличие от мышьяка большинство соединений сурьмы и висмута неядовиты. При попадании в пищеварительный тракт большинство соединений сурьмы и висмута практически не оказывают отравляющего действия, они подвергаются гидролизу с образованием малорастворимых продуктов, которые не всасываются через стенки желудочно-кишечного тракта. На этом основано применение лекарственных препаратов сурьмы и висмута, например основного нитрата висмута (смесь BiOOH, Bi(OH)₂NO₃ и BiONO₃).

Хотя большинство соединений сурьмы и висмута неядовиты, стибин оказывает токсический эффект, подобно соединениям мышьяка. Токсичны и аналогичные соединения висмута при инъекции. Например, для собак смертельная доза составляет 6 мг на 1 кг массы.

Таким образом, среди элементов 15-й группы азот и фосфор являются макроэлементами, незаменимыми для всех живых организмов. Мышьяк является микроэлементом, но возможно, что он также «незаменим», в то время как необходимость сурьмы и висмута для живых организмов пока не доказана. Возможно, что сурьма и висмут в той или иной мере полезны живым организмам.