5.2.4. Биологическая роль р-элементов IV группы и применение в медицине.

По содержанию в организме человека [21,15 %] углерод — это макроэлемент. С биологической точки зрения углерод является органогеном №1. Он входит в состав всех тканей и клеток в форме белков, жиров, углеводов, витаминов, гормонов.

В медицине применяются многие соединения углерода (см. другие разделы). Широкое применение находит активированный уголь, который имеет развитую пористую структуру и по этой причине является прекрасным адсорбентом (вещество, на поверхности которого может происходить поглощение различных веществ). Это свойство используется для очистки крови от вредных компонентов (кровь пропускается через слой угля), а также для поглощения вредных веществ из желудочно-кишечного тракта (таблетки активированного угля).

Минеральные воды, содержащие СО₂ и гидрокарбонаты (нарзан, боржоми), рекомендуются при лечении гастритов, колитов, язвенной болезни и др.

К ремний, по содержанию в организме человека [10^–3 %] относится к примесным микроэлементам. Больше всего кремния в печени, надпочечниках, волосах. С нарушением обмена кремния связывают возникновение гипертонии, ревматизма, язвенной болезни, малокровия.

Недавно было установлено, что кремний содержится в коже, хрящах, связках млекопитающих и входит в состав мукополисахаридов, где прочно связан эфирными связями, возникающими при взаимодействии ортокремниевой кислоты с гидроксильными группами углеводов.

В отличие от углерода, в составе биомолекул кремний связан только с атомами кислорода [связь Si–O], так как энергия этой связи существенно выше энергии связей Si‑C, Si–H, Si–S и др.

Биологическая роль кремния состоит в том, что он способен обеспечивать образование поперечных связей в молекулах.

Однако, кремний может оказывать крайне негaтивное влияние на человека. Так, например, пыль, состоящая из частиц кремния диоксида SiO₂, угля, алюминия при систематическом воздействии на лёгкие вызывает заболевания — пневмокониозы. Действие угольной пыли вызывает антракоз — профессиональное заболевание шахтёров. При вдыхании пыли, содержащей SiO₂, возникает силикоз, при действии алюминиевой пыли — алюминоз.

Механизм воздействия пневмокониозов во многом неясен. Предполагается, что при длительном контакте силикатных песчинок с биологическими жидкостями образуется гелеобразная поликремниевая кислота, отложение которой в клетках ведёт к их гибели.

В медицинской практике применяют кремний (IV) карбид SiC — карборунд — для шлифовки пломб и пластмассовых протезов. Кремний диоксид SiO₂ входит в состав силикатных цементов. Фарфоровые массы, применяемые в ортопедической стоматологии, состоят из кварца SiO₂ [15–35 %] и алюмосиликатов: полевого шпата Э₂О · Al₂O₃ · 6SiO₂, где Э — К, Na или Са [60–75 %], и каолина Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O [3–10 %]. Соотношение компонентов может меняться в зависимости от назначения фарфоровой массы.

Полевой шпат K₂О · Al₂O₃ · 6SiO₂ — основной материал для получения стоматологических фарфоровых масс. При плавлении он превращается в вязкую массу. Чем больше полевого шпата, тем прозрачнее фарфоровая масса после отжига. При отжиге фарфоровых масс полевой шпат, как более легкоплавкий, понижает температуру плавления смеси. Каолин [белая глина] — необходимая часть стоматологического фарфора. Добавка каолина уменьшает текучесть стоматологической массы. Кварц, входящий в состав стоматологического фарфора, упрочняет керамическое изделие, придаёт ему большую твёрдость и химическую стойкость.

Кварцевое стекло [почти чистый кремнезём] переносит резкие изменения температуры, почти не задерживает ультрафиолетовые лучи. Такое стекло используют для изготовления ртутно-дуговых ламп, которые широко применяют в физиотерапии и для стерилизации операционных.

По содержанию в организме человека [10^–5–10^–6 %] германий относится к микроэлементам. Биологическая роль окончательно не выяснена. Соединения германия усиливают процессы кроветворения в костном мозге. Известно также, что соединения германия малотоксичны.

По содержанию в организме человека [10^–4 %] олово относится к микроэлементам. Сведения о биологической роли олова противоречивы. Олово попадает в организм человека с кислыми продуктами, консервированными в жестяных банках, покрытых слоем олова. В кислой среде олово растворяется и в форме соли поступает в кровь, оказывая токсическое действие:

Sn + 2HA  SnA₂ + H₂

Однако в опытах на крысах установлено что олово в малых количествах стимулирующе действует на рост крыс. Это даёт основание предполагать его необходимость и для человека. Безусловно, выяснение биологической роли этого микроэлемента требует дополнительного изучения.

При ингаляции паров олова или пыли металлического олова в производственных условиях развивается пневмокониоз [станноз], острые отравления не наблюдаются.

В атмосферном воздухе временно допускается концентрация SnO, SnO₂ и SnSO₄ 0,05 мг/м³. ПДК олова в пищевых продуктах: в рыбных, мясных продуктах и овощах — 200 мг/кг; в молочных продуктах, фруктах и соках — 100 мг/кг.

Неорганические соединения олова (II) не очень ядовиты в противоположность органическим соединениям олова.

В медицинской практике находят применение различные материалы, в частности пломбировочные, содержащие олово. Так, олово входит в состав серебряной амальгамы [28 %] для изготовления пломб.

Применение олова фторида как средства против кариеса зубов основано на превращении гидроксилапатита в Sn₂PO₄(OH).

Биологическая активность свинца определяется его способностью проникать в организм и накапливаться в нём. Свинец и его соединения относятся к ядам, действующим преимущественно на нервную, сосудистую систему и непосредственно на кровь.

Химизм токсического действия свинца весьма сложен. Ионы Pb²⁺ являются сильными комплексообразователи по сравнению с катионами остальных р-элементов IVA группы. Они образуют прочные комплексы с биолигандами.

Ионы Pb²⁺ способны взаимодействовать и блокировать сульфгидрильные SH‑группы белков, в частности, ферментов, участвующих в синтезе порфиринов, регулирующих синтез гема и других биомолекул:

2R–SH + Pb²⁺  RS—Pb—SR + 2H⁺

Часто ионы Pb²⁺ вытесняют естественные ионы М²⁺, ингибируя металлоферменты ЕМ²⁺:

ЕМ²⁺ + Pb²⁺  EPb²⁺ + M²⁺

Вступая в реакции с цитоплазмой микробных клеток и тканей, ионы свинца образуют гелеобразные альбуминаты. В небольших дозах соли свинца оказывают вяжущее действие, вызывая гелефикацию белков. Образование гелей затрудняет проникновение микробов внутрь клеток и снижает воспалительную реакцию. На этом основано действие свинцовых примочек.

По мере увеличения концентрации ионов Pb²⁺ образование альбуминатов приобретает необратимый характер, накапливаются альбуминаты белков R–COOH поверхностных тканей:

Pb²⁺ + 2R–COOH  Pb(R–COO)₂ + 2H⁺

Поэтому препараты свинца (II) оказывают преимущественно вяжущее действие на ткани. Их назначают исключительно для наружного применения, поскольку, всасываясь в желудочно-кишечном тракте или дыхательных путях, они проявляют высокую токсичность.

В медицинской практике нашли применение наружные вяжущие антисептические средства: свинец ацетат Pb(CH₃COO)₂ · 3H₂O [примочки] и свинец (II) оксид PbO [входит в состав свинцового пластыря].

Свинец и его соединения, особенно органические, влияют на синтез белка, энергетический баланс клетки и её генетический аппарат. Свинец является слабым мутагеном. Pb⁴⁺ окисляет Fe²⁺ в Fe³⁺ и нарушает синтез гемоглобина. Многие факторы говорят в пользу денатурационного механизма. Установлено, что свинец — один из элементов, присутствие которых в продуктах питания влияет на развитие кариеса.

Массовая доля свинца в организме человека 10^–6 %.

Безопасным для человека считают суточное поступление 0,2–2 мг свинца.

Токсическое действие свинца известно человечеству очень давно. Использование свинца для изготовление посуды и водопроводных труб приводило к массовому отравлению людей. В настоящее время свинец продолжает быть одним из основных загрязнителей окружающей среды, так как выброс соединений свинца в атмосферу составляет свыше 400 000 тонн ежегодно. Свинец накапливается в основном в скелете в форме малорастворимого фосфата Pb₃(PO₄)₂, а при деминерализации костей оказывает регулярное токсическое действие на организм. Поэтому свинец относится к кумулятивным ядам.

Важной областью применения свинца является его использование в качестве защиты от рентгеновского и γ-излучения, а также от - и -частиц.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие степени окисления проявляют элементы IVA группы?

2. Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов элементов IVA группы.

3. Окислительно-восстановительная характеристика соединений элементов IVА группы.

4. Чем можно объяснить аллотропные модификации углерода?

5. Почему при гидролизе карбидов различных металлов образуются различные углеводороды?

6. Чем объяснить несолеобразующий характер СО и его инертность в химических реакциях?

7. Каковы: механизм гипоксии при отравлении угарным газом и меры противоядия?

8. Какие смеси оксидов используются для защиты от угарного газа в противогазах?

9. Каков характер оксида С(IV)? Подтвердите уравнениями реакций.

10. Какие соли угольной кислоты и почему используются при ацидозе? Являются ли эти соли лучшими средствами или нет? Почему?

11. Почему кремний является микроэлементом, несмотря на большое содержание его в земной коре?

12. Какова биологическая роль кремния в организме?

13. Почему элементы Ge, Sn, Pb объединяют в подгруппу германия?

14. Как изменяются кислотно-основные свойства оксидов подгруппы германия?

15. Как изменяются окислительно-восстановительные свойства подгруппы германия?

16. Чем объясняется токсичность соединений свинца?

17. Какие свинецсодержащие препараты используются в медицине?

18. Каков механизм использования ЭДТА как противоядия соединений свинца?

5. 3. р-элементы V группы

В VA-группу периодической системы Д. И. Менделеева вхо­дят азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут, способные обра­зовывать три и максимально пять ковалентных связей. Исклю­чение составляет атом азота, который не может образовывать больше четырех ковалентных связей (три за счет неспаренных р-электронов и одну по донорно-акцепторному механизму за счет неподеленной пары электронов на 2s-подуровне). В соединениях элементы этой группы проявляют степени окисления +1, +2, + 3, +4, +5, —3. Для азота наиболее характерны степени окисления +3, +5, —3, а также +2 и +4. С увеличением радиусов атомов от азота к висмуту законо­мерно уменьшается энергия ионизации и относительная электро­отрицательность. Этим обсуловлено ослабление неметаллических свойств в ряду N — Р — As — Sb — Bi. Азот и фосфор — типичные неметаллы, мышьяк и сурьма амфотерны, висмут - металл. С ростом порядкового номера в образовании химических связей у элементов VA-группы начинают играть d- и f орбитали, поэтому значения устойчивых координационных чисел в ряду N—Р—As—Sb - Bi возрастают.