Значение комплексных соединений

Координационные соединения имеют исключительно большое значение в природе. Достаточно сказать, что почти все ферменты, многие гормоны, лекарства, биологически активные вещества представляют собой комплексные соединения. Например, гемоглобин крови, благодаря которому осуществляется перенос кислорода от легких к клеткам ткани, является комплексным соединением, содержащим железо (рис. 6), а хлорофилл, ответственный за фотосинтез в растениях, – комплексным соединением магния (рис. 7).

Рис. 6. Гем-группа в молекуле гемоглобина

Значительную часть природных минералов, в том числе полиметаллических руд и силикатов, также составляют координационные соединения. Более того, химические методы извлечения металлов из руд, в частности меди, вольфрама, серебра, алюминия, платины, железа, золота и других, также связаны с образованием легкорастворимых, легкоплавких или летучих комплексов. Например: Na₃[AlF₆] – криолит, KNa₃[AlSiO₄]₄ – нефелин (минералы, комплексные соединения, содержащие алюминий).

Рис. 7. Хлорофилл c1

Современная химическая отрасль промышленности широко использует координационные соединения как катализаторы при синтезе высокомолекулярных соединений, при химической переработке нефти, в производстве кислот.

Комплексные соединения активно образуются в биологических системах с участием лигандов –аминокислот, пептидов, белков, нуклеиновых кислот и других веществ; комплексы белков с катионами металлов играют роль металлоферментов, катализирующих большинство химических превращений. В качестве центрального иона металлофермента выступают катионы Mn²⁺,Cr²⁺,Fe³⁺, Zn²⁺ и др. К комплексным соединениям относятся витамины, гормоны, металлоферменты (инсулин - комплекс ионов цинка с белками: витамин В₁₂ - комплекс кобальта с порфирином: гемоглобин крови - комплекс порфирина с железом (II)). В легких, где парциальное давление кислорода велико, гемоглобин связывается с кислородом как с лигандом, а в тканях освобождает его. В случае патологии лигандом может быть другое вещество - угарный газ (СО). С ним образуется комплекс в 300 раз более прочный, чем с кислородом. Этим объясняется токсичность действия угарного газа.

Комплексные соединения используются:

1. Для выведения из организма камней, которые образуются в почках, мочевом пузыре, желчных протоках.

2. Для маскировки некоторых элементов в состав лекарственных препаратов.

3. Для очистки организма от ядов, например стронция-90, Сd²⁺ и др.

Биогенные элементы

Химические элементы в окружающей среде и в организме че­ловека.

Часть земной оболочки, занятой растительными и животными организмами и переработанная ими и космическими излучениями и приспособленная к жизни, на­зывают биосферой (по Вернадскому).

Л. П. Виноградов считал, что концентрация элементов в живом веществе прямо пропорциональна его содержанию в среде обитания с учетом растворимости их соединений. По мнению А. П. Виноградова химический состав организма определяется составом окружающей среды. Биосфера содержит 100 млрд тонн живого вещества.

Около 50% массы земной коры приходится на кислород, более 25% на кремний. Восемнадцать элементов (О, Si, Al, Fe, Ca. Na, К, Mg, H, Ti, С, Р, N, S, Cl, F, Мn, Ва) составляют 99,8% массы земной ко­ры. Живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре.

Минералы, природные химические вещества, образуются в био­сфере в различных количествах, благодаря деятельности живых веществ (образование железных руд, горных пород, в основе которых соединения кальция). Кроме этого, оказывают влияние техногенные загрязнения окружающей среды. Изменения, происходящие в верх­них слоях земной коры, влияют на химический состав живых организмов.

В организме можно обнаружить почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. Пути поступления элементов в организм разнообразны.

Согласно биогеохимической теории Вернадского существует «биогенная миграция атомов» по цепочке

воздух→почва→вода→пища→человек,

в результате которой практически все элементы, окружающие человека во внешней среде, в большей или меньшей степени проникают внутрь организма.

Содержание некоторых элементов в организме по сравнению с окружающей средой повышенное – это называют биологическим концентрированием элемента. Например, углерода в земной коре 0,35%, а по содержанию в живых организмах занимает второе место (21%). Однако эта закономерность наблюдается не всегда. Так, кремния в земной коре 27,6%, а в живых организмах его мало,  алюминия – 7,45%, а в живых организмах -1·10^-5%.

В составе живого вещества найдено более 70 элементов.

 Химические элементы, находящиеся в живом организме и обладающие выраженной биологической ролью называются биогенными элементами.

На биологическую роль химических элементов оказывают влияние следующие факторы:

• заряд ядра атома,

• радиус атома или иона,

• энергия гидратации иона,

• значения координационных чисел атомов,

• растворимость природных соединений данного элемента в воде.

Классификация биогенных элементов.

• В зависимости от массовой доли элемента в организме (ω%) элементы делятся на следующие группы:

1) макроэлементы содержащие ω ≥10^-2 % от массы организма - C, O, H, N, P S, Cl, Ca, Na, Mg, K, Fe.

2) микроэлементы ω от 10^-3 до 10^-5 % от массы организма – Cu, Mo, Co, Cr, F, Br, I и др.

3) ультрамикроэлементы- ω <10^-5 % от массы организма – Hg, Au, Ra и др.

Макроэлементы в организме выполняют роль пластического материала, участвуют в построении тканей, поддержании осмотического давления, кислотно – основного равновесия (гомеостаза), рН среды.

Микроэлементы входят в структуру и активные центры ферментов, находятся в составе витаминов, гормонов, влияют на обмен белков, жиров, углеводов.

Биологическая роль ультромикроэлементов мало изучена.

• В зависимости от значимости химических элементов в процессе жизнедеятельности (по В.В. Ковальскому) различают 3 группы:

1. жизненно необходимые (незаменимые, биогенные, эссенциальные) элементы-

они постоянно содержаться в животном организме, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов (С, Н, О, N, Р, S, Na, К, Ca, Mg, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, I, Сl и др.).

Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности организма. Группа эссенциальных элементов включает в себя все макроэлементы, часть микро- и ультамикро-элементов.

Среди жизненно необходимых элементов девять являются катионами металлов - Са²⁺, Na⁺, К⁺, Mg²⁺, Мп²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Си²⁺, Со²⁺ и катион водорода - Н⁺.

Другие являются анионами или содержатся в анионных группировках: Сl^-, I^-, РО₄^3-, SO₄^2-, МоО₃^2- и SeO₃^2- , НСО₃^2-.

2)Физиологически активные (условно эссенциальные) элементы (Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Tc, Hg, Ur, Se, Te).

Они постоянно содержаться в животном организме. Биологическая роль их выяснена не до конца.

3) Примесные элементы (Sc, Ta, In, La, W, Re и др.) - они обнаружены в животном организме, но данные об их количестве и биологическая роль не выяснены.

Примесные элементы также делят на аккумулирующиеся (Hg, Pb, Cd) и неаккумулирующиеся (Al, Ag, Go, Ti, F).

• По функциональной роли элементы принято делить на 3 группы:

1) органогены - в организме их 97,4% - к ним относятся С, Н, О, N, Р, S;

2) элементы электролитного фона - Na, К, Ca, Mg, Сl. Эти ионы металлов составляют 99% общего содержания ионов металлов в организме;

3) микроэлементы – биологически активные атомы центров ферментов, гормонов и т.д. (Co, Sr, Ba, Mn, Mo, Zn, Rb, Cu, As, I, F, Br и др.).

• По расположению в периодической системе биогенные элементы относятся к s,p,d и f – семействам химических элементов. При этом, как правило:

s- элементы – образуют электролитную среду в крови и других биологических жидкостях ( Na, Mg, K, Ca,Н );

р- элементы – это органогены (С, S , N ,О);

d- элементы - главным образом микроэлементы, биологические комплексообразователи, входят в состав ферментов (Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo) .

f - элементы в ничтожных количествах содержатся в организме, где их роль до конца не выяснена, их соединения высокотоксичны.

К макроэлементам относятся s–элементы первого(Н), третьего (Na, Mg) и четвертого (К, Ca, )периодов. А также p–элементы второго (С, N ,О) и третьего (Р,S,Сl) периодов. Все они жизненно необходимы.

Среди d-элементов жизненно необходимы в основном элементы 4-го периода- Mn, Cu, Co, Fe, Zn.

Биогеохимические провинции. Эндемические заболевания.

Зоны, в пределах которых животные и растения характеризуются  определенным химическим элементным составом, называют биогеохимическими провинциями. Биогеохимические провинции - это территории различных размеров в составе субрегионов биосферы с постоянными характерными реакциями организмов (например эндемические заболевания).

Различают - два рода биогеохимических провинций - естественные и техногенные, возникающие в результате |разработки рудных месторождений, выбросов металлургической и химической промышленности, применения удобрений в сельском хозяйстве. Нужно обращать внимание на роль микроорганизмов в создании геохимических особенностей окружающей среды. Дефицит и избыток элементов может приводить к формированию биогеохимических провинций, обусловленных как недостатком элементов (йодные, фторные, кальциевые, медные и др. провинции) так и их избытком (борные, молибденовые, фторные, медные и пр.) На Южном Урале открыта биогеохимическая провинция на породах обогащенных никелем. Для нее характерны уродливые формы трав, болезни овец, связанные с повышенным содержанием никеля в среде.

Соотношение биогеохимических провинций с их экологическим состоянием позволило выделить следующие территории:

а) с относительно удовлетворительной экологической обстановкой - (зона относительного благополучия); 

б) с обратимыми, ограниченными, и в большинстве случаев устранимыми экологическими нарушениями - (зона экологического риска);

в) с достаточно высокой степенью неблагополучия наблюдаемого в течении длительного периода на значительной территории, устранение которого требует значительных затрат и времени - (зона экологического кризиса);

г) с очень высокой степенью экологического неблагополучия, практически необратимыми экологическими нарушениями, имеющими четкую локализацию –(зона экологического бедствия). Эндемические заболевания

Наряду с заболеваниями, обусловленными антропогенными факторами загрязнения ок­ружающей среды, существуют заболевания связанные с особенностями биогеохимических провинций.

Заболевания и синдромы, в этиологии которых главную роль играет недостаток биогенных (эссенциальных) элементов или избыток как биогенных, так и токсических микроэлементов, а также их дисбаланс, в том числе аномальные соотношения микро- и макроэлементов. Предложена рабочая классификация микроэлементозов человека.

Микроэлементозы человека

Основные группы	Основные формы заболеваний	Краткая характеристика
1. Природные, эндогенные	Врожденные, наследственные	В основе заболевания микроэлементоз матери. Недостаток, избыток, дисбаланс МЭ вызван патологией хромосом или генов.
2. Природные, экзогенные	Вызванные а) МЭ – дефицитом б) МЭ – избытком в) МЭ -дисбалансом	Природные, не связанные с деятельностью человека и приуроченные к определенным географическим локусам. Эндемические заболевания людей, сопровождающиеся теми или иными признаками у животных и растений.
3. Техногенные	Промышленные (профессиональные)	Заболевания связанные с производственной деятельностью человека; болезни и синдромы, вызванные избытком микроэлементов в зоне производства
	Соседские	По соседству с производством за счет воздушного или водного переноса МЭ
4. Ятрогенные	Вызванные а) МЭ – дефицитные б) МЭ – избытком в) МЭ - дисбалансом	Быстро увеличивающееся число заболеваний связанных с интенсивным лечением разных болезней препаратами, содержащими микроэлементы, а также с поддерживающей терапией не обеспечивающей организм необходимым уровнем МЭ.

Установлено, что в некоторых биогеохимических провинциях бывает избыток или недостаток определенных микроэлементов, не обеспечивается сбалансированное ми­неральное питание организма, что приводит к возникновению заболеваний на данной территории. 

Заболевания, вызываемые избытком пли недостатком элементов в опреде­ленной зоне, называют эндемическими заболеваниями. Они носят характер эндемий. Симптомы заболеваний, вызванных недостатком химических элементов в организме  -  гипомикроэлементозов, представлены в таблице.

Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека.

Элемент	Типичный симптом при дефиците
Co	Замедление роста скелета
Mg	Мышечные судороги
Fe	Анемия, нарушение иммунной системы.
Zn	Повреждение кожи, замедление росга, замедление сексуального созревания
Cu	Слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторичная анемия
Mn	Бесплодность, ухудшение роста скелета
Mo	Замедление клеточного роста, склонность к кариесу.
Co	Злокачественная анемия
Ni	Учащение депресия, дерматиты
Cr	Симптомы диабета
Si	Нарушение роста скелета
F	Кариес зубов
I	Нарушение работы щитовидной железы.
Se	Мускульная (в частности сердечная) слабость

Таким образом, количественное определение содержания элементов в природных источниках, органах, тканях в норме и патологии имеет большое значение для прогнозирования, диагностики и лечения различных заболеваний.