4.4.4. Биологическая роль d-элементов VIII группы и применение в медицине.

В биогенных соединениях железо связано в комплекс с органическими липидами (гемоглобин, миоглобин, цитохромы).

В организме человека 5 г Fe, основная его масса сосредоточена в крови.

Гемоглобин – сложный белок, имеет четвертичную структуру. Молекула гемоглобина содержит 4 субъединицы, каждая из которых состоит из глобина и небелковой части – гема. Гем – комплекс протопорфирина с Fe²⁺. Комплекс имеет 6 координационных связей: 4 связи с 4 пиррольными кольцами протопорфирина, пятая связь с глобином через гистидин и шестая с О₂ [или другими липидами]. Пятая и шестая координационные связи расположены перпендикулярнр к плоскости порфиринового кольца. В каждом геме Fe²⁺ образует 4 связи с азотом пиррольных колец в плоскости порфиринового кольца. Пятую связь железо образует с азотом имидазольной группы гистидина. Имидазольное кольцо при физиологических значениях рН способно присоединять протон из раствора и образовывать ион имидазолия. Положительный заряд этого иона создает электростатическое поле и препятствует Fe²⁺ отдавать электроны, т.е. лиганд стабилизирует степень окисления металла-комплексообразователя. Замена гистидина снимает защитный эффект. В легких происходит присоединение О₂ к гемоглобину, при этом валентность железа не меняется, т.к. О₂ присоединяется за счет свободной координационной связи. Сначала присоединяется одна молекула кислорода, а затем аутокаталитически присоединяются остальные три молекулы О₂. Этот процесс называется оксигенацией гемоглобина.

Гемоглобин [дезоксигемоглобин] [Hb·Fe²⁺]

оксигемоглобин [Hb·Fe²⁺·O₂]

карбоксигемоглобин [карбонилгемоглобин] [Hb·Fe²⁺·CO] (прочнее оксигемоглобина в 200 раз)

Сильные окислители [HNO₃, NO₂ и др.] окисляют Fe²⁺ в Fe³⁺, образуя метгемоглобин, который теряет способность присоединять кислород.

Существует большая группа (около 50 видов) железосодержащих ферментов – цитохромов, которые катализируют процесс переноса электронов в дыхательной цепи за счет изменения степени окисления железа:

Fe³⁺ +e→Fe²⁺.

Железосодержащими ферментами также являются каталаза и пероксидаза, активные центры которых содержат железо в степени окисления +3. Каталаза чрезвычайно эффективно ускоряет разложение пероксида водорода (одна молекула каталазы за 1 с может разложить до 44000 молекул Н₂О₂). Пероксидаза ускоряет реакции окислительного дегидрирования субстратов RH₂ пероксидом водорода:

2 H₂O₂ ^{каталаза} 2H₂O+O₂

R H₂+H₂O₂ ^{пероксидаза} R+2H₂O.

Таким образом, эти ферменты защищают клетку от свободнорадикального окисления, т.к. Н₂О₂ при взаимодействии с биоорганическими соединениями клетки образует радикалы, под действием которых разрушаются важнейшие составные части клетки: мембраны и ДНК.

В процессе эволюции природа создала замкнутый цикл использования железа. Все субстраты, содержащие гемовое железо (прежде всего, эритроциты), после использования разлагаются до катионов Fe³⁺, которые депонируются с помощью белка ферритина. От ферритина железо легко проходит через клеточную мембрану и доставляет железо в костный мозг, где образуется гемоглобин в новых эритроцитах.

Важную роль в организме играют многоядерные комплексы – железосеропротеины. Они являются компонентами различных, обратимых электронно-транспортных цепей и осуществляют перенос электронов за счет обратимых окислительно-восстановительных превращений.

При недостатке железа в организме (или большой потере его) развивается железодефицитная анемия. Для лечения применяют аскорбинат железа (II), лактат железа (II), FeSO₄ · 7H₂O, «ферроплекс» (FeSO₄ с аскорбиновой кислотой), глицерофосфат железа (III), железо восстановленное (порошок металлического железа). В медицинской практике применяют также:

FeCl₃ – коагулят, при незначительных кровотечениях

FeSO₄ · 7H₂O – антисептик.

Кобальт является одним из важнейших микробиогенных элементов, его относят к металлам жизни. В организме взрослого человека ≈ 12 мг кобальта. Распределяется равномерно, только в печени его накапливается в 4 раза больше.

Биологическая роль кобальта связана с деятельностью ферментов, витаминов и гормонов. Кобальт оказывает влияние на белковый, жировой и углеводный обмен, на размножение и развитие организма. Некоторые заболевания печени, гипертония, глаукома ведут за собой нарушения обмена кобальта. Токсическое действие кобальта проявляется в поражении систем крови, дыхания и нервной системы.

Основная масса кобальта находится в витамине В₁₂ и его аналогов. Витамин В₁₂ является сложным азотсодержащим органическим комплексом Со³⁺ с координационным числом, равным шести. Витамин В₁₂ необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов, синтеза аминокислот, белков, РНК, ДНК и других соединений, без которых нормальное развитие организма невозможно. Накапливается витамин В₁₂ в печени. Его недостаток в организме вызывает злокачественную анемию. Витамин В₁₂ синтезируется в ЖКТ при участии некоторых видов бактерий.

В медицине нашли применение: коамид (дихлорникотинамид-кобальт) – при лечении гипохромных анемий; ⁶⁰Со – радиоактивный изотоп для облучения раковых опухолей.

Содержание никеля в организме в 10 раз меньше, чем кобальта. Он накапливается в печени, поджелудочной и щитовидной железах. Присутствует в РНК, активирует некоторые ферменты. Никель оказывает влияние на кроветворение и углеводный обмен. NiCl₂ применяется пиррорально в малых дозах для стимуляции кроветворения. При избытке никеля наблюдается дистрофия печени, угнетение ферментов тканевого дыхания.

В медицине применяется цис-изомеры: дихлордиамминплатина (II) [Pt(NH₃)₂Cl₂], диамминтетрахлорплатина (IV) [Pt(NH₃)₂Cl₄], которые ингибируют синтез ДНК и обладают противоопухолевым действием.

Сплавы Pt – Ir, Pt – Au, Pd – Au, Pd – Ag, Cu, Ir применяют в ортопедической стоматологии, для изготовления игл для шприцов. Сплавы Pt – Au, Pd – Au – Pt – для изготовления хирургических инструментов. Сплав Pt – Ir применяется для изготовления электродов, вживляемых в сердце для его стимуляции.

Порошкообразный Ir применяется как катализатор при получении озона: 3О₂→2О₃.

Оксид Os (VIII) применяется при гистологических исследованиях и электронно-микроскопическом обнаружении ферментов.

[Ru(NH₃)₄(OH)Cl]Cl – применяется в анатомических и гистологических исследованиях.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие реагенты используются в качественном анализе на соли железа (II) и (III). Приведите уравнения реакций.

2. Можно ли концентрированную серную кислоту перевозить в железных цистернах? А в никелевых? А разбавленную кислоту?

3. Можно ли для приготовления лекарственных средств, содержащих соли железа (II) использовать долго хранившийся FeSO₄. Ответ обоснуйте.

4. Какие координационные числа свойственны кобальту и никелю? Почему?

5. Напишите реакции взаимодействия гидроксида кобальта (III) с кислотой и щелочью. Сравните эти реакции с аналогичными для гидроксида железа (III).

6. Опишите строение и химизм действия гемоглобина.

7. Объясните причину отравления угарным газом.

8. Как известно в организме человека содержится 5 г железа. В гемоглобине крови содержится около 70% этого железа. Рассчитайте массу всего гемоглобина крови человека, если учесть, что молярная масса гемоглобина 4500 г/моль, а в одной молекуле гемоглобина содержится 4 атома железа.

9. В виде какого соединения Со в основном содержится в организме? Строение этого вещества и функции.

10. Как Вы считаете, распространенность чего больше на Земле: солей платиновых металлов или их комплексных соединений? Почему?

11. Сравните по комплексообразующей способности платиновые металлы и элементы триады железа.

12. Изобразите структурные формулы соединений платины, применяемых в медицине для лечения раковых заболеваний. Объясните принцип их действия.

4.5. d-элементы I группы

Медь, серебро и золото составляют группу элементов IБ. Электронная конфигурация атомов этих элементов однотипная:

Cu – 4s¹3d¹⁰, Ag – 5s¹4d¹⁰, Au – 6s¹5d¹⁰.

Медь в соединениях проявляет степень окисления +1, +2, серебро +1 (реже +2, +3), золото +3 (реже +1, +2).

Медь, серебро и золото в природе существуют как в виде соединений, так и в элементарной форме.

Элементы подгруппы меди – малоактивные металлы. Они с трудом окисляются, и наоборот, их ионы легко восстанавливаются. Основные и восстановительные свойства убывают от меди к золоту. Все элементы подгруппы меди – хорошие комплексообразователи.