4.6.4. Биологическая роль d-элементов II группы и применение в медицине.

Цинк играет жизненно важную биологическую роль и является металлом жизни. Будучи связан с ферментами, гормонами и витаминами, цинк оказывает значительное влияние на фундаментальные жизненные процессы: кроветворение, размножение, рост и развитие организма, обмен углеводов, белков и жиров, окислительно-восстановительные процессы, энергетический обмен.

Цинк обнаружен во всех клетках и органах высших животных и человека. Общее содержание цинка в теле человека [массой 70 кг] составляет 2–3 г. Наибольшее количество цинка обнаруживается в сетчатой оболочке глаза, предстательной железе и сперме; богаты цинком печень, мышцы и эластичные ткани.

Среднее содержание цинка в крови, по данным многочисленных авторов, составляет 600‑800 мкг %. Из них цельная кровь содержит 12 % в сыворотке крови, 85 % в эритроцитах и 3 % в лейкоцитах. Высокое содержание цинка в эритроцитах объясняется накоплением в них значительного количества карбоангидразы.

Цинк, поступающий в организм с пищей, всасывается в верхних отделах тонкого кишечника и депонируется в основном в печени.

Цинк входит в состав более 40 металлоферментов, которые катализируют гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов (карбоангидразе, алкогольдегидрогеназа, карбоксипептидаза и др.). Постоянная степень окисления цинка определяет его участие в реакциях гидролиза, идущих без переноса электронов.

Механизм биологической роли цинка может быть объяснен его значительными связями с регуляторами биохимических процессов. Отмечено присутствие цинка в структуре многочисленных ферментов: дегидрогеназы, пептидазы, трансфосфорилазы, карбоксипептидазы, уриказы, принимающих участие в обмене белков и углеводов.

Имеется значительная группа ферментов, в которых цинк образует с белком металлокомплексы и оказывает катализирующее действие на следующие ферменты: аргиназу, дегидропептидазу, трипептидазу, аминопептидазу, лецитиназу, карнозиназу, енолазу и др. Присутствие цинка в этих ферментах позволяет предположить, что он играет значительную роль в процессах клеточного дыхания, окисления углеводов и в порфириновом обмене.

Одним из наиболее изученных является цинксодержащий фермент карбоангидраза. Цинк, расположенный в полости комплекса, является важнейшим и незаменимым компонентом активного центра фермента. При удалении цинка фермент теряет каталитическую активность. Содержание цинка в карбоангидразе порядка 0,33 %. Именно благодаря этому небольшому количеству цинка образующийся в тканях оксид углерода (IV) СО₂ превращается в кислоту Н₂СО₃. Эта реакция обратима, и в лёгких идёт процесс дегидратации Н₂СО₃. Таким образом, реакция с участием карбоангидразы влияет на процесс дыхания, на его скорость, на газообмен в организме. Координационное число цинка в бионеорганическом комплексе равно 4. Три координационных связи заняты аминокислотными остатками, четвёртая орбиталь цинка связывает воду [или гидроксильную группу].

Единого мнения о механизме действия карбоангидразы нет. Некоторые экспериментальные данные говорят о том, что цинк координирует молекулу воды, которая участвует в процессе гидратации СО₂. По другим данным, цинк координирует гидроксильную группу, участвующую в процессе гидратации.

Раньше считали, что карбоангидраза катализирует только процесс обратимой гидратации СО₂. Однако имеются данные, свидетельствующие, что она катализирует реакции гидролиза, в которых участвует карбонильная группа субстрата и в этом плане механизм ее действия подобен действию цинксодержащего фермента — карбоксипептидазы.

Гидролиз пептидов в организме до свободных аминокислот осуществляется под действием группы ферментов — пептидаз. Карбоксипептидазы – ферменты группы гидролаз, катализирующие гидролитическое отщепление С-концевых аминокислотных остатков в молекулах белков и пептидов.

… NH—СН—СО—NH—СН—СООН

карбоксипептидаза

R R`

Карбоксипептидаза участвует в реакциях гидролиза пептидных связей, что в виде схемы можно представить следующим образом:

П роцесс превращения карбонильной группы >С=О пептидной связи субстрата в группу –СООН происходит при участии цинка, который является необходимым компонентом активного центра карбоксипептидазы. В состав ферментов дипептидаз, осуществляющих гидролиз дипептидов, тоже обязательно входит цинк.

Отмечено, что цинк обладает свойством усиливать действие питуитрина, пролонгировать гипергликемический эффект адреналина, увеличивать эффект гонадотропного гормона гипофиза в 40–50 раз.

Цинк участвует в углеводном обмене, так как входит в состав гормона инсулина, регулирующего содержание сахара в крови. Кристаллический инсулин содержит 0,36 % цинка.

Многообразие влияния цинка на животный организм объясняется связями цинка не только с железами внутренней секреции и ферментами, но и витаминами. Отмечены коррелятивные связи его с тиамином и аскорбиновой кислотой.

Участие цинка в различных физиологических процессах может быть объяснено его многочисленными связями с биохимическими регуляторами. В опытах на животных показано, что как избыток, так и недостаток цинка в пищевом рационе приводит к нарушениям обмена веществ. Важная роль цинка особенно отмечается в период интенсивного роста и полового созревания. Цинк активирует гемоглобинообразование и гемопоэз.

В медицине нашли применение следующие препараты, содержащие цинк:

Со времен Парацельса до наших дней в фармакопее значатся глазные цинковые капли [0,25 %‑ный раствор ZnSO₄].

Как присыпка издавна применяется цинковая соль стеариновой кислоты.

Фенолсульфонат цинка — хороший антисептик.

Цинка хлорид используют в стоматологической практике для прижигания папиллом, для лечения воспалённых слизистых оболочек.

Использование этих солей цинка основано на вяжущем, прижигающем и небольшом антисептическом действии.

Цинка оксид ZnO применяют в медицине в виде мазей, паст и присыпок при кожных заболеваниях, а также в стоматологической практике.

В настоящее время нашла практическое применение суспензия, в которую входят инсулин, протамин и хлорид цинка — эффективное средство против диабета, действующее лучше, чем инсулин.

Элементарный цинк не ядовит. Свежеполученный оксид цинка также безвреден. Однако при нагреве цинка металл окисляется в парах с образованием тонкодисперсного оксида цинка, вдыхание которого может вызвать так называемую «цинковую лихорадку», или «литейную лихорадку», сопровождающуюся ознобом, головной болью, тошнотой, кашлем. В производственных условиях, где цинк нагревается выше температуры 419,5С, это следует учитывать. Предельно допустимая концентрация ZnO в воздухе — 0,005 мг/л.

Доказано, что цинк является жизненно необходимым не только для животных, но и для растительных организмов. При дефиците цинка в растениях нарушается обмен белков и углеводов, тормозится синтез хлорофилла, витаминов С, Р и группы В. Чтобы восполнить дефицит цинка, в почву вносят микроудобрения, содержащие цинк.

Опытами на растениях доказано участие цинка в биосинтезе отдельных фракций РНК, в том числе РНК хромосомно-ядрышкового аппарата, что является важной информацией в познании той роли, которую цинк играет в регуляции ростовых процессов.

Пары кадмия и его соединений токсичны, причём кадмий может накапливаться в организме. Симптомы острого отравления солями кадмия — рвота и судороги. Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и разрушению костей. ПДК [рекомендованная] в сточных водах для солей кадмия 0,1 мг/л, в питьевой воде — 0,01 мг/л.

В результате деятельности человека кадмий способен накапливаться в важнейших объектах внешней среды [почва, воздух, вода, снег, минеральные удобрения]. Отсюда он проникает и накапливается в растениях и животных и попадает в организм человека.

В 1968 году сотрудниками службы здравоохранения США была обнаружена зависимость между содержанием кадмия в атмосфере и частотой смертельных случаев от сердечно-сосудистых заболеваний.

Минеральные удобрения содержат сравнительно высокие концентрации кадмия, особенно суперфосфат [7,320,41 мг/кг]. По сравнению с фосфатными удобрениями селитры содержат меньшее количество кадмия [0,530,12 мг/кг].

То, что кадмий ядовит — бесспорно, но сведения о степени токсичности кадмия противоречивы. Известны случаи смертельного отравления парами кадмия и его соединений. При попадании в желудок кадмий тоже вреден, но случаи смертельного отравления соединениями кадмия, попавшими в организм с пищей, науке неизвестны. Тем не менее, кадмирование пищевой тары во многих странах запрещено законом.

Несмотря на то, что действие ртути известно давно и её токсикология хорошо изучена, биологическая роль этого микроэлемента выяснена недостаточно. В 1957 году появились работы А.А.Непесова, указывающие, что концентрация ртути 0,003 % повышала иммунобиологическую устойчивость к влиянию внешней среды.

Большинство имеющихся сведений указывает на отрицательное влияние ртути и её препаратов на человеческий организм. В ртутных биогеохимических провинциях отмечается увеличение инфекционных болезней, болезней органов дыхания и кровообращения, почек, полости рта, болезни уха, горла и носа. Установлено, что угнетающее влияние избытка ртути на нормальную щитовидную железу можно ослабить путём добавления повышенных количеств йода.

Пары ртути очень ядовиты и могут вызвать тяжёлое отравление, причем пары образуются при комнатной температуре.

Если ртуть пролилась на пол, её следует немедленно и тщательно собрать с помощью пылесоса или пипеткой с грушей. Можно также использовать специальные реактивы [демеркуризаторы]. В качестве последних применяют порошок серы, 20 % раствор FeCl₃, эмульсию из минерального масла и воды, содержащую порошкообразную серу и йод, 10 % раствор KMnO₄, подкисленный соляной кислотой.

При поступлении в организм ртуть распределяется по всем органам и тканям. Наибольшее количество её находят в почках, наименьшее — в печени. Из организма ртуть в основном выводится с мочой, частично через кишечник, со слюной и потом. Выделение ртути происходит очень медленно: через 2 недели после введения ртутного препарата остаётся ещё ¹/₃ дозы.

В норме ртуть содержится в организме человека в количестве 0,18 ммоль как примесный элемент.

Металлическая ртуть и препараты ртути нашли применение в медицинской практике. Металлическая ртуть благодаря своей химической инертности и жидкому состоянию является незаменимой манометрической жидкостью целого ряда приборов, в том числе применяемых в медицине. В медицинской практике широко используют ртутно-кварцевые лампы, дающие ультрафиолетовое излучение. С помощью ультрафиолета лечат целый ряд воспалительных процессов, так как его лучи губительны для многих микроорганизмов. С помощью ультрафиолетовых лучей лечат туберкулез.

Амальгамы серебра и олова химически инертны, легко размягчаются при нагревании и используются при пломбировании зубов.

Сулема является ядом и в то же время важнейшим антисептиком. Применяется при больших разбавлениях [1:1000] для дезинфекции.

Каломель Hg₂Cl₂ применяют в ветеринарии как слабительное средство.

Оксид ртути (II) входит в состав мазей для лечения глазных и кожных заболеваний.

Сульфид ртути используют для лечения венерических и кожных заболеваний.

Вопросы для самоконтроля:

1. Охарактеризуйте кислотно-основные свойства гидроксидов подгруппы цинка. Напишите уравнения реакций, подтверждающие эти свойства.

2. Какой из элементов IIБ группы относится к металлам жизни? Почему?

3. Какая степень окисления свойственна элементам IIБ группы? Могут ли эти элементы принимать большую степень окисления? Ответ обоснуйте.

4. Какие химические свойства цинка определяют его важнейшую биологическую роль в организме?

5. Какие свойства кадмия усиливают его токсическое влияние на человеческий организм?

6. Назовите известные вам способы обезвреживания пролитой ртути [демеркуризации].

7. Что происходит при соприкосновении ртути с металлами? А в каких же сосудах тогда перевозят и хранят ртуть?

8. Могут ли ионы ртути и кадмия влиять на фосфорно-кальциевый обмен? Почему?

9. Чем объяснить токсическое действие ионов IIБ группы на организм человека? Может ли это же свойство оказывать положительное влияние? В каком случае?

10. Как Вы считаете, что опаснее: работать в закрытом помещении, где находится пролитая ртуть, выпить стакан воды, где концентрация хлорида ртути (II) достигает 1∙10^-3 г/л или выпить стакан чистой ртути? Предложите способы обезвреживания ртути, уже попавшей в организм человека.

5. р-элементы

К р-блоку относят 30 элементов. У элементов IIIA группы появляется первый электрон на р-орбитали, в других группах происходит последовательное заполнение р‑подуровня до 6 электронов. У р-элементов различия в свойствах как внутри группы, так и по периоду выражены значительно сильнее, чем у s-элементов.

5.1. р-элементы III группы

В IIIA-группу периодической системы элементов Д.И.Менделеева входят бор, алюминий, галлий, индий и таллий.

Общая электронная формула валентной оболочки атомов элементов IIIA группы: ns²np¹. В невозбуждённом состоянии неспарен только р‑электрон. Соответственно, в соединениях эти элементы могут проявлять степень окисления +1. Однако, за исключением таллия, для элементов IIIA группы более характерна степень окисления +3. Это обусловлено тем, что переход электронов с s- на р‑подуровень требует не очень большой затраты энергии [возбуждённое состояние]. Затраты полностью компенсируются при образовании дополнительных химических связей.

В организме элементы IIIA группы находятся в степени окисления +3.

В целом с ростом порядкового номера металлические свойства элементов IIIA группы усиливаются. От бора к алюминию радиус атома значительно возрастает и металлические свойства резко увеличиваются.

В отличие от бора элементные алюминий, галлий, индий и таллий представляют собой серебристо-белые мягкие металлы. Они легко растворяются в кислотах, а Al, Ga и In — в щелочах.

Их оксиды Э₂О₃ и гидроксиды Э(ОН)₃ амфотерны, за исключением таллия гидроксида Tl(OH)₃, обладающего только основными свойствами.

Наличие свободных d-орбиталей во внешней электронной оболочке у атомов Al, Ga, In, Tl сказывается на способности этих элементов проявлять более высокие координационные числа по сравнению с бором. Для бора характерно координационное число 4 (sp³-гибридизация; образуется, например, анион [В(ОН)₄] ^–).

Для Al, Ga, In, Tl, кроме координационного числа 4, характерно координационное число 6 [sp³d²-гибридизация; образуется, например, анион [Al(OH)₆]^3–].

Из соединений элементов IIIA группы наибольший интерес в биологии и медицине представляют как обычные, так и комплексные кислородные соединения бора и алюминия.