14.1. Биологическая роль элементов, входящих в состав анионов

Бор. Биологическая роль соединений бора в животных организмах не выяснена.

В медицине применяются:

1. Борная кислота Н₃ВО₃ - антисептик. Входит в со­став различных мазей. В виде растворов (1 - 3 %) исполь­зуется для полоскания ротовой полости и в офтальмоло­гической практике.

2. Тетраборат натрия, бура (Na₂B₄O₇ • 10H₂O) - анти­септик. Показания к применению те же.

Углерод. Важнейшей особенностью атомов углерода является его способность к образованию кратных связей. Здесь уместно отметить, что способность образовывать кратные связи присуща почти исключительно углероду, азоту и кислороду. В некоторых, очень редких, случаях кратные связи могут образовывать сера и фосфор.

В настоящее время широко обсуждаются вопросы за­грязнения биосферы диоксидом углерода, поступающим из продуктов сжигания топлива. Еще в конце XX в. выра­жалось беспокойство, что увеличение содержания СО₂ в воздухе на 20 % может вызвать глобальное повышение температуры на Земле (на 4-5 °С). Дело в том, что СО₂ об­ладает сильными полосами поглощения в инфракрасной области спектра. По этой причине СО₂ в атмосфере, пропу­ская солнечную радиацию, задерживает тепловое инфракрасное излучение.

Особенно вредное действие на организм человека ока­зывает оксид углерода (II), угарный газ. При вдыхании он попадает в кровь и образует прочное соединение с гемо­глобином — карбоксигемоглобин. При этом гемоглобин те­ряет способность связывать кислород, что и является при­чиной смерти при тяжелых отравлениях угарным газом.

В медицине применяются:

1. Активированный уголь (карболен) — адсорбент при отравлениях алкалоидами, солями тяжелых металлов и т.д.; находит широкое применение в гемо- и лимфосорбции.

2. Гидрокарбонат натрия NaHCO₃ - понижает кислот­ность желудочного сока; водные растворы используются для полосканий и примочек.

Кремний. Микроэлемент. Он жизненно важен для рос­та и развития высших животных. Повышенным содержа­нием кремния отличаются ткани, в которых слабо разви­ты или отсутствуют нервные волокна. Максимальное его количество содержится в коже, хрящах, сухожилиях, в местах активного обызвествления костей, в некоторых тканях глаза (радужная и роговая оболочки).

При высоком содержании во вдыхаемом воздухе нерас­творимых соединений кремния (кремнезем, силикаты) развивается профессиональное заболевание — пневмокониоз (силикоз, асбестоз, талькоз) у рабочих горнорудной, угольной, цементной, фаянсовой и других отраслей промышленности.

В медицине применяется тальк (3MgO • 4SiO₂ • Н₂О) -присыпки.

Азот. Это один из важнейших для жизненных процес­сов элемент. Содержание азота в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет примерно 3 %. Азот входит в состав аминокислот, белков, нуклеотидов, нук­леиновых кислот, биогенных аминов и т.д.

Мы живем в азотной атмосфере (объемная доля азота в воздухе составляет 78 %), умеренно обогащенной кислоро­дом и в очень малых количествах другими химическими эле­ментами. Без азота трудно представить себе жизнь на Земле. Азот и жизнь - понятия неотделимые. Жизнь во многом обя­зана именно азоту, а азот своим происхождением и существо­ванием в биосфере обязан жизненным процессам.

Молекулярный азот участия в обмене веществ не прини­мает. Человек использует азот органических соединений.

Азот не только носитель жизни. Некоторые азотсодер­жащие соединения, особенно нитраты, вредны для орга­низма и могут быть причиной отравлений.

В медицине применяется оксид азота (I), или «веселя­щий газ» N₂O. В смеси с кислородом используется в каче­стве наркотического средства. Применение в медицине других соединений азота описано в § 8.2.

Фосфор. Фосфор является пятым из важнейших для биологии элементов вслед за углеродом, водородом, кис­лородом и азотом.

Фосфаты играют две ключевые роли в биологии. Во-первых, они служат структурными элементами ряда био­логических компонентов: например, сахарофосфатный остов нуклеиновых кислот или отложение фосфата каль­ция костей и зубов (Са₅(РО₄)₃ОН - гидроксиапатит, Ca₅(PO₄)₃F - фторапатит). Кстати, у человека в костях со­держится 5 %, а в зубной эмали -17% фосфора. Во-вто­рых, более интересная роль производных ортофосфата связана с переносом энергии.

Что же определяет специфическую роль фосфора в орга­низме, т.е. роль агента переноса энергии? Во-первых, фос­фор образует более слабые связи, чем кислород и азот. Во-вторых, благодаря наличию 3d-орбиталей атомы фосфора могут образовывать больше четырех ковалентных связей. В-третьих, среди элементов третьего периода только фосфор и сера сохраняют способность образовывать кратные связи.

В медицине применяется аденозинтрифосфорная кис­лота (АТФ): назначается при хронической коронарной не­достаточности, мышечной дистрофии и атрофии, спазмах периферических сосудов.

Кислород. Академик В.И. Вернадский писал, что сво­бодный кислород является самым могущественным деяте­лем из всех известных химических тел. Кислород входит практически во все жизненно важные молекулы. Содер­жание его в живых организмах в расчете на сухое вещест­во составляет примерно 70 %.

Объемная доля кислорода в воздухе - 21 %. С содержа­нием кислорода в воздухе связаны многие жизненные про­цессы. Например, «горная болезнь» вызывается недо­статком кислорода в высокогорных условиях. Уменьше­ние парциального давления кислорода в воздухе на 1/3 вы­зывает кислородное голодание, на 2/3 - летальный исход.

Большая часть введенного в организм кислорода выделяется в виде СО₂, главным образом через легкие.

Заслуживает внимания проблема озонового экрана, об­разуемого трехатомным кислородом в тропосфере (при­близительно на высоте 20 км). Озоновый экран представ­ляет собой очень важный щит, защищающий все живое на Земле от ультрафиолетовых лучей Солнца. Проблема изу­чения озонового экрана включена в программу ООН по охране окружающей среды в качестве одной из важнейших.

В медицине кислород применяют для вдыхания при за­болеваниях, сопровождающихся кислородной недостаточ­ностью, при отравлениях оксидом углерода (II), синиль­ной кислотой и т.д. Часто используют смесь 95 %-ного кислорода и 5 % -ного углекислого газа (карбоген). В анестезиологической практике кислород широко применяют в смеси с ингаляционными наркотиками. Для лечебных це­лей можно вводить кислород под кожу, а также в виде кислородного коктейля в желудок. В последние годы воз­никла новая область медицины, называемая гипербариче­ской медициной, которая основана на лечении различных заболеваний кислородом при повышенном давлении.

Сера. Сера является одним из шести органогенов (С, Н, N, О, Р и S), атомы которых составляют основную массу органи­ческих молекул. В организме сера, как и фосфор, выполняет функцию агента переноса групп и энергии. В биологических системах практически все реакции переноса групп и энергии осуществляются не только органическими фосфатами, но и органическими серосодержащими соединениями.

В организме животных и человека сера встречается также в составе серосодержащих аминокислот— цистеина и метионина.

Наличие спаренных остатков цистеина обусловлива­ет образование дисульфидных (S-S) связей в белках. Сульфгидрильные (тиольные) группы (S-H) цистеина являются составной частью активных центров многих ферментов.

В медицине применяются:

1. Сера очищенная - используют наружно в мазях и присыпках для лечения псориаза, себореи, чесотки и т.д.

2. Сульфаты натрия, магния, бария и кальция (см. §8.2,10.2,12.2).

Фтор. Биологическая роль фтора до сих пор изучена мало. Фтор участвует в минеральном обмене веществ при образовании твердых составных частей зубов и ткани ске­лета. Поэтому в человеческом организме фтор концентри­руется больше всего в эмали зубов и костях. В этих тканях фтор находится в форме фторапатита Ca₅(PO₄)₃F.

Основным источником фтора, получаемого человеком, является питьевая вода, которая должна содержать около 1 мг фтора в 1 л. Если в питьевой воде содержание фтора недостаточно (менее 0,5 мг/л), то это приводит к возник­новению кариеса зубов (разрушение эмали). Важнейшим средством профилактики кариеса зубов является фтори­рование воды. Фторирование питьевой воды с целью дове­дения содержания в ней фтора до нормы осуществляется добавлением к ней определенного количества фторида на­трия. При избыточном содержании фтора в питьевой воде развивается эндемическое заболевание — флюороз, сопро­вождающееся хрупкостью зубов.

В свободном состоянии газообразный фтор является очень сильным ядом. Его вдыхание вызывает мгновенное поражение органов дыхания.

В медицине применяется фторид натрия NaF - он вхо­дит в состав зубных паст и используется для профилакти­ки кариеса.

Хлор. Хлор принадлежит к весьма важным биогенным элементам. Анионы хлора Сl^- активно участвуют в биохи­мических превращениях: активируют некоторые фермен­ты, влияют на электропроводимость клеточных мембран и т.д. Ионы Сl^-, наряду с ионами Na⁺, являются основным осмотическим веществом биологических жидкостей (плазмы крови, лимфы, спинномозговой жидкости). Газо­образный хлор ядовит.

В медицине применяются:

1. Соляная кислота разведенная (НСl — 8%) - приме­няют внутрь в каплях и микстурах (часто вместе с пепси­ном) при недостаточной кислотности желудочного сока.

2. Хлориды натрия, калия, кальция (см. § 8.2, 10.2).

3. Хлорная известь (СаОСl₂) — применяется в санитар­ном деле в качестве дезинфицирующего средства.

Бром. Принадлежит к числу биогенных элементов. В медицине применяются бромиды аммония (NH₄Br), ка­лия (КВr) и натрия (NaBr).

Йод. Для животных и людей йод является необходимым микроэлементом. Из общего количества йода в организме (25 мг) больше половины сосредоточено в щитовидной же­лезе, где он входит в состав гормона — тироксина. Этот гор­мон определяет общую интенсивность процессов обмена ве­ществ в организме. При недостатке йода в организме обра­зование тироксина в щитовидной железе задерживается, что приводит к развитию заболевания - эндемического зо­ба. В ряде областей содержание йода в воде и почве ничтож­но, что обусловливает и крайне низкое его содержание в пи­щевых продуктах. В этих случаях питьевая вода и обычная пища не покрывают потребностей организма в йоде, застав­ляя прибегать к йодированию пищи (обычно путем добав­ления 15-20 мг KI или NaI на 1 кг поваренной соли).

Пары йода ядовиты. Они вызывают сильное воспале­ние слизистой оболочки носа и глаз.

В медицине применяются:

1. Радиоактивный йод (изотопы I¹³¹, I¹³², I¹²⁵) - ввиду короткого периода полураспада этих изотопов они исполь­зуются для лечения и диагностики заболеваний щитовид­ной железы.

2. Спиртовой раствор йода (5 или 10 %) — применяют наружно как антисептическое средство. Внутрь назна­чают для профилактики атеросклероза (по 1-10 капель 5 % -ного раствора).

3. Раствор Люголя (раствор йода в водном растворе KI) — используют для смазывания слизистой оболочки глотки и гортани.

4. Йодид калия (KI), йодид натрия (NaI) - применяют при эндемическом зобе. Таблетки, содержащие KI, под на­званием «Антиструмин» используют для предупрежде­ния эндемического зоба.