2. Навчальні цілі

В результаті самостійної роботи студент повинен

Знати:

• чим відрізняються перехідні елементи від інших елементів;

• місце d-елементів в періодичній системі;

• кислотно-основні та окисно-відновні властивості d-елементів;

• структурні одиниці, що входять до складу молекули гемоглобіну;

• механізм зв”язування кисню гемоглобіном;

• наслідки зниження рівня Феруму у крові людини;

• біологічну роль d-елементів.

3. Матеріали позааудиторної самостійної роботи

3.1. Міждисциплінарна інтеграція:

Фізіологія.

Тема: Фізіологія систем кровообігу, крові та дихання.

Фармакологія та медична рецептура.

Тема: 1.Протимікробні, протипаразитарні та протибластичні засоби

(Антисептичні та дезінфекційні засоби, окисники).

3.2. Зміст теми

Проте, що в організмі містяться метали, науці було відомо давно. Їх виключне значення для живої природи було встановлено не зразу. Картина стала яснішою, коли декілька десятиріч назад, могутня фізика з її сучасними методами аналізу проникла в біологію, а хімія проникла в медицину. На стику цих наук відкрились нові горизонти пізнання.

Хімічні елементи, вміст яких в організмі рівний або менший 0,01 % від маси тіла, названі мікроелементами. Щоденна потреба в мікроелементах складає декілька мг. Вивчення біологічної ролі мікроелементів започаткував академік В.І.Вернадський(перший президент АН УРСР,створена 1919р.). У тканинах організму мікроелементи знаходяться здебільшого не у формі вільних йонів, а в складі комплексних сполук з білками чи іншими органічними молекулами. Біохімічні призначення більшості мікроелементів зумовлюються їх функціонуванням як простетичної групи або кофактора ферментів. Такі ферменти, для активності яких необхідні йони металів, наз. металоферментами. Всі мікроелементи підвищують активність різних ферментів, що каталізують біохімічні процеси. Йони металів можуть виконувати в металоферментах каталітичну, структурну або регуляторну функції.

Сьогодні твердо встановлено, що для живих істот необхідні не менше 10-ти металів: залізо, мідь, марганець, цинк, кобальт, молібден, натрій, калій, кальцій і магній. Їх називають металами життя. Вміст більшості з них в організмі незначний. Але відсутність хоч би малої долі любого такого мікроелемента може призвести до захворювань. Метали життя і їх сполуки зацікавили вчених. Це дало можливість знайти принципово нові підходи до лікування деяких захворювань, які раніше вважались невиліковними. Однак з металами „всередині нас” ще багато нерозгаданого.

До перехідних біометалів відносять Fe, Cu, Mn, Zn, Co, Mo, в яких в атомах або в йонах із стійкими ступенями окиснення d-орбіталі частково заповнені електронами.

Хімія перехідних біометалів є ключем до розуміння ферментативної активності, багатьох процесів переносу хімічних часток і регуляторної діяльності клітини і організму в цілому. Особливістю перехідних d-біометалів є висока рухомість d-електронів, внаслідок чого вони мають різні ступені окиснення: Mn 0, +2, +3, +4, +6, +7.

Со 0, +2,+3.

Fe 0,+2,+3,+6.

Cu 0,+1, +2.

Мо 0, +2, +3,+4,+5,+6.

Zn 0, +2.

Хімічні властивості перехідних біометалів мають декілька характерних рис, найважливішими з яких можна вважати наступні:

1. перехідні d-біометали відрізняються від s-біометалів меншою відновлювальною здатністю;

2. для більшості d-біометалів характерне виявлення декількох ступенів окиснення. Це означає, що для них властиві окисно-відновні перетворення;

3. більшість сполук перехідних біометалів у вищих ступенях окиснення виявляють кислотні властивості, а в нижчих-основні;

4. наявність вільних d-орбіталей у поєднанні з незаповненими s- і р-орбіталями надають перехідним біометалам акцепторні якості і тому вони виявляють тенденцію до реакцій комплексоутворення.

5. на відміну від s-елементів, більшість сполук d-біометалів мають характерне забарвлення, яке зумовлене катіоном.

ФЕРУМ. ЗАЛІЗО.

Серед усіх важких металів, що містяться в живих організмах, залізу належить провідна роль. Органічні молекули, до складу яких входить залізо, приймають активну участь у біологічних процесах, що відбуваються при диханні і фотосинтезі. Це пояснюється дуже високим ступенем їх каталітичної активності. Організм дорослої людини містить близько 4г заліза. Потреба організму в залізі залежить від віку, статі, професії. В середньому доросла людина повинна шоденно споживати з продуктами харчування 10-15 мг заліза.

Слово „руда” колись означало кров; тобто наші предки пов”язували колір руди з кольором крові. Сьогодні ми знаємо: і крові, і руді колір надає залізо, яке міститься в червоних кров”яних тільцях-еритроцитах, що міститься в гемоглобіні. Слово гемоглобін-комбінація із грецького гемо-кров і латинського глобус-коло. По суті гемоглобін являє собою дихальний пігмент крові, що складається з гема-залізовмісної сполуки, і білка-глобіну. Гемоглобіну природа довірила один із дуже тонких процесів-постачання кисню живій клітині. Вважають, що перенесення кисню в організмі здійснює не гемоглобін і навіть не гем, а залізо, яке входить до його складу.

В організмі людини залізо знаходиться у двох ступенях окиснення-Fe²⁺, Fe³⁺. Йони заліза входять до складу гемоглобіну та міоглобіну у вигляді залізо-порфіринового комплексу. Міоглобін схожий на одну із субодиниць гемоглобіну. Гемоглобін виконує дві біологічні функції:

1. Зв”язує молекули кисню своїми атомами заліза і переносить їх із легенів

до тканин, де вони передаються молекулам міоглобіну.

2. Після цього гемоглобін використовує декілька аміногруп для

зв”язування молекул вуглекислого газу і переносить їх назад у легені.

Гемоглобін –це не просто пасивний переносник кисню. Це складна молекулярна машина для перетворень дезоксигемоглобін-оксигемоглобін. Комплекс гемоглобіну з молекулярним киснем називається оксигемоглобіном. Механізм цього перетворення дуже складний, але одна із важливих рис його пов”язана з координаційною хімією заліза та азоту.

При нестачі заліза в організмі розвивається хвороба крові-анемія(недокрів”я)

за рахунок зменшення кількості еритроцитів і гемоглобіну.

Надлишкова кількість заліза може призвести до порушення діяльності

ССС, печінки, легенів.

В організмі людини залізо накопичується і зберігається у вигляді

феритину та гемосидерину, які скупчені у печінці, селезінці та кістковому мозку. Феритин складається з білкової оболонки, всередині якої знаходиться міцела з Fe₂O₃-H₂O-фосфатом у колоїдному стані. У феритині 23% сухої маси складає залізо. У гемосидерині відсоток гідроксиду заліза ще вищий, але його будова різна у різних організмів.

Є підстави вважати, що залізо безпосередньо залучається до

метаболізму НК.

FeSO₄ використовується в медицині для лікування анемії, недокрів”я, а

також як кровоспинний засіб.

FeCl₃* H₂O застосовується як дезінфікуючий та кровоспинний засіб.

МАНГАН. МАРГАНЕЦЬ.

Марганець належить до числа небагатьох елементів, що проявляють

вісім різних ступенів окиснення. Однак в біологічних системах реалізуються тільки два з них Мn(II) та Мn(III). В організм людини Мn поступає з рослинною їжею.

Фізіологічна дія мангану пов”язана з його здатністю змінювати ступені окиснення і брати участь в окисно-відновних процесах. Він входить до складу ферментних систем, що обумовлюють окисно-відновні процеси внутрішньоклітинного обміну речовин. Марганець є біостимулятором. Він зв”язаний з ферментами, гормонами і вітамінами (В, Е) завдякм чому активно впливає на різні функції організму: жировий, білковий та вуглеводний обміни, синтез аскорбінової к-ти, обмін вітамінів В₁ і Е, запобігає розвитку авітамінозу. Манган виявляє специфічний вплив на процеси розмноження та клітинне дихання; подібно інсуліну понижує рівень вмісту глюкози в крові, підсилює дію інсуліну та синтез глікогену. Є також дані, що він сприяє підвищенню вмісту гемоглобіну в крові.

В організмі людини міститься в серці, печінці, нирках, відіграє роль у кровотворенні, рості тіла. Добова потреба у мангані у дорослої людини складає 8 мг. Надмірні дози сполук мангану діють як дуже сильна отрута, що викликає анемію, розлад НС і можуть навіть призвести до смерті. Найбільше мангану містять цукрові буряки, злакові, мінімально-фрукти.

Перманганат калію використовується в медицині як протиотрута від ціанідів та бойових отруйних речовин.

КОБАЛЬТ.

В природі зустрічається в вигляді різних мінералів. Вміст Со в

продуктах харчування рослинного походження коливається від 8 до 200 мг/кг сухої маси. Найбільше його в листках капусти та салату, плодах томатів,огірків, коренеплодах моркви, бульбах картоплі, а найменше-в яблуках, апельсинах.

Головна фізіологічна роль кобальту полягає у підвищенні активності різних ферментів, що каталізують біохімічні процеси в рослинних і тваринних організмах. В рослинах Со знаходиться в складі різних органічних речовин, найчастіше коферментах. Найбільше його в бобових рослинах, потрібний для підсилення азотфіксуючої діяльності бульбочкових бактерій. Встановлено, що Со позитивно впливає на накопичення хлорофілу, збільшує стійкість комплексу хлорофілу з білком.

Кобальт постійний складовий компонент крові людини. Одним з основних факторів утворення еритроцитів і синтезу гемоглобіну є вітамін В₁₂ –ціанкобаламін. Со відіграє важливу роль в окисно-відновних процесах, обміні вуглеводів, жирів, підвищує використання організмом АК для синтезу білків. Со позитивно впливає на обмін вітамінів, наприклад аскорбінової к-ти(вітамін С), на синтез нікотинової к-ти (вітамін РР).

Со входить до складу ферментів, що каталізують реакції йодування і, отже, безпосередньо бере участь у біохімічних процесах утворення гормону щитоподібної залози.

Однак надлишкові кількості Со небажані, оскільки в цьому випадку понижується імунобіологічна реактивність організму, порушується умовнорефлекторна діяльність, уражуються кровотворні органи.

Со активний лише у складі вітаміну В₁₂.

При дефіциті Со зростає негативна дія основного фактора утворення ендемічного зобу-нестачі йоду в організмі.

У медицині Со застосовується з діагностичними та лікувальними (радіотерапія) цілями.

КУПРУМ. МІДЬ.

В природі зустрічається в невеликій кількості в самородному стані, в основному, в вигляді сполук.

Роль міді в живому організмі дуже специфічна і цей метал не може бути замінено ніяким іншим. Різні культури мають неоднакову чутливість до міді і можуть бути розміщені в такому порядку: пшениця, ячмінь, овес, кукурудза, морква. Купрум приймає участь у фізіолого-біохімічних процесах-фотосинтезі, диханні, перерозподілі вуглеводів, відновленні та фіксації азоту, обміні протеїнів, побудові стінок клітин. Мідь контролює утворення ДНК і РНК, впливає на механізми, що визначають стійкість до захворювань. Особливе значення Сu для окисно-відновних процесів. Встановлено, що Сu сприяє синтезу вітамінів В_1,С, Р, РР, Е в рослинах. Різнобічною є роль Сu в організмі людини, де вона пов”язана з ферментами, вітамінами, гормонами. Мідь специфічно впливає на синтез гемоглобіну та утворення еритроцитів. У людини при нестачі купруму порушується кровотвірна функція організму.

Сu підсилює роль інсуліну і гормонів гіпофізу, які стимулюють розвиток і функцію статевих залоз. Мідь впливає на водний і мінеральний обміни. Йони міді підвищують ефективність деяких ліків. Вони зв”язують токсини мікроорганізмів і підсилюють дію антибіотиків. Надлишкові кількості міді шкідливо впливають на організм людини. Підвищений вміст міді у крові людей спостерігається при захворюванні гострим панкреатитом, бронхіальній астмі.

CuSO₄*5H₂O використовується як антисептичний та в”яжучий лікувальний

засіб.

ЦИНК.

Цинк зустрічається в природі в зв”язаному стані, в вигляді мінералів. У живій природі-досить розповсюджений біоелемент, є в яблуках, листках салату, у зерні пшениці, подорожнику, фіалках. В людському організмі цинку~0,001 % і накопичується він головним чином у зубах( до 0,02 %).

Біохімічна функція цього мікроелемента полягає у діяльності різних

металоферментів та активації металоферментних комплексів. Відомо біля 20 цинковмісних ферментів, без яких неможливий гідроліз білків, полісахаридів, ліпідів, ефірів фосфатної к-ти, АТФ та інших біологічно важливих органічних речовин будь-якої клітини, а також синтез ДНК і рибосом. Cприяє підвищенню фотосинтезу. Згідно останніх даних, цинк значно впливає на синтез НК і приймає участь у збереженні і передачі генетичної інформації.

Добова потреба людини в цинку біля 15мг. Дефіцит цинку викликає уповільнення росту, розлад статевої функції, скорочення тривалості життя. Встановлено, що цинк необхідний для підтримання нормальної концентрації плазми. В організмі тварин і людини цинк є незамінним металокомпонентом ферментних систем, входить до складу гормону інсуліну, який регулює рівень цукру в крові, а також посилює дію гормонів гіпофізу. Біологічна роль цинку пов”язана з діяльністю залоз внутрішньої секреції, де він в основному концентрується. На сьогодні доведена необхідність цинку для функції ендокринних залоз, участь його у механізмі клітинного ділення.

Нестача цинку веде до розладу вуглеводного обміну.

Порушення обміну цинку в організмі людини пов”язано з такими хворобами, як лейкемія, атеросклероз, ендемічний зоб тощо. Є велика кількість даних про те, що підвищений вміст цього металу в організмі спричиняє канцерогенну дію.

МОЛІБДЕН.

В природі в зв”язаному стані, входить до складу мінералів-молібденіт

МоS₂.

Рослини поглинають його з грунту в вигляді йонів МоО₄ ^2-. Найбільше

Мо в квасолі та горосі, у зерні хлібних злаків, найменше- в фруктах.

Стійкий ступінь окиснення для Мо +6.

У порівнянні з іншими біометалами молібден необхідний живим організмам у значно менших кількостях. Підраховано, що для нормального функціонування однієї живої клітини потрібно всього 10 атомів Мо.

Основна фізіологічна особливість Мо-здатність брати участь у процесі

фіксації молекулярного азоту бульбочковими бактеріями бобових рослин. В процесі біологічної фіксації атмосферного азоту головну роль відіграє фермент нітрогеназа, до складу якого входить молібден і залізо. Роль Мо полягає в активації молекулярного азоту при наявності АТФ ( Мо зв”язує молекулу азоту, а атоми заліза беруть участь в роботі окислювально-відновних ланцюжків, що постачають електрони для відновлення N₂). Другою важливою фізіологічною особливістю Мо є участь у відновленні нітратів та синтезі АК в рослинах за допогою ферменту-нітратредуктази, до складу якого він входить. Не менш важливою групою біохімічних процесів, які відбуваються за участю Мо є синтез НК і білків.

Мо також позитивно впливає на вуглеводний обмін, синтез хлорофілу, каротину, аскорбінової к-ти, синтез гемоглобіну, сприяє утворенню вітамінів С і В_12.. Наявність Мо встановлено в клітинах мозку ссавців. В оптимальних кількостях він стимулює ріст, підвищує імунобіологічні захисні сили організму проти інфекційних захворювань.

Біологічна роль Мо тісно пов”язана в організмі із вмістом міді, оскільки ці

два елементи –антагоністи. Таким чином, негативну дію надлишкових кількостей Мо може бути усунено за допомогою мідних препаратів.

Вивчення вмісту біометалів і їх співвідношень має велике значення в

діагностиці. Встановлено, що порушення балансу металів в організмі викликане патологічними явищами.