Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

часто называемый гидроксиапатитом. Образование костной со­ ли можно отразить общим уравнением:

остеобласты (pH = 8,3) минерализация

деминерализация

остеокласты

Это уравнение не передает все промежуточные стадии осаждения различных фосфатов кальция, лежащие в основе формирования костной ткани в организме. В то же время оно убедительно пока­ зывает, что щелочность среды (в остеобластах pH = 8,3) и повы­ шенная концентрация фосфат-ионов, возникающая в остеобластах вследствие гидролиза сложных эфиров фосфорной кислоты и уг­ леводов при участии щелочной фосфатазы, способствуют образо­ ванию гидроксифосфата кальция. Кристаллизация Са5(Р 04)з0Н происходит на органической матрице - белке коллагене, ак­ тивные группы которого, взаимодействуя с ионами кальция и фосфатов, способствуют образованию правильно организованных ядер кристаллизации, вокруг которых кристаллизуется кост­ ная соль. Таким образом, формирование костной ткани в остео­ бластах происходит в результате контролируемого коллагеном процесса кристаллизации гидроксиапатита из ионов кальция и фосфатов и при участии гетерополисахаридов - хондроитинсульфатов, называемых также кислыми мукополисахаридами (разд. 22.3.2). Хондроитинсульфаты в комплексе с коллагеном связывают катионы кальция и фосфат-анионы, а при отделе­ нии от коллагена отдают ему эти ионы.

Наряду с кристаллическим гидроксиапатитом в поверхностных слоях кости образуется некоторое количество аморфного фосфата кальция (Са3(Р04)2), более растворимой соли (Ks = 2,0 •10~29), ко­ торая постепенно превращается в гидроксиапатит. Поэтому с воз­ растом содержание аморфного фосфата кальция в костной ткани уменьшается. Считают, что аморфный фосфат кальция являет­ ся лабильным резервом ионов кальция и фосфатов в организме.

Клетки костной ткани вследствие локальных изменений pH среды, концентрации ионов кальция и фосфатов, активности ферментов щелочной фосфатазы и пирофосфатазы, а также ком­ плексообразующих свойств среды, содержащей лактаты, цитраты и белки, могут легко ускорять процессы либо минерализации, протекающей в остеобластах, либо деминерализации, осуществ­ ляемой в остеокластах. Растворение костной ткани, прежде всего за счет аморфного Са3(Р 04)2, происходит в области каймы остеокластов, чему способствует локальное повышение кислот­ ности среды и концентрации лактатов, цитратов и белков, кото­ рые эффективно связывают ионы кальция в результате комплексообразования. При небольшом повышении содержания протонов кость начинает растворяться, отдавая вначале катионы кальция:

Са5(Р04)30Н + 2Н+ —► Са4Н(Р04)3 + Са2+ + Н20

276

а при большей кислотности среды происходит ее полный распад: Са5(Р04)30Н + 7Н+ —► ЗН2РО4 + 5Са2+ + Н20

Эти процессы могут легко протекать с зубами. В полости рта в результате жизнедеятельности микробов образуются достаточно сильные кислоты: пировиноградная, молочная, янтарная, - ко­ торые разрушают зубы не только вследствие повышения ки­ слотности среды, но и в результате связывания катионов каль­ ция в устойчивые комплексные соединения.

Структура костной ткани обеспечивает достаточно легкий обмен ионами между поверхностью скелета и окружающими тканевыми жидкостями, особенно если учесть, что поверхность костного скелета человека достигает 2000 км2. Ежедневно из костей скелета уходит и возвращается в него 700-800 мг каль­ ция. Полная перестройка костной ткани человека происходит примерно каждые 10 лет. При увеличении концентрации сво­ бодных ионов Са2+ в плазме крови равновесие сдвигается, это приводит к отложению кальция в костной ткани. При сниже­ нии концентрации ионов Са2+ в плазме крови наблюдается рас­ творение минеральных компонентов костной ткани. Например, при рахите из-за недостаточности всасывания ионов Са2+ из желудочно-кишечного тракта или при беременности, когда фор­ мируется скелет плода, концентрация ионов Са2+ в плазме кро­ ви у больного или у беременной поддерживается не только за счет поступления ионов Са2+ с пищей, но и за счет костной ткани. Таким образом, костную ткань можно рассматривать как кальциевый буфер.

Основными регуляторами кальций-фосфорного обмена в ор­ ганизме человека являются витамин D и гормоны паратирин и калъцитонин. Витамин D регулирует процессы всасывания ионов кальция и фосфатов из кишечника, а паратирин и кальцитонин - процессы их депонирования в костной ткани и выве­ дения через почки. Благодаря взаимодействию регуляторов под­ держивается постоянная концентрация этих ионов в сыворотке крови, межклеточной жидкости и тканях.

Костная ткань содержит в небольших количествах катионы практически всех металлов, встречающихся в нашем организ­ ме, выполняя функцию минерального депо. В заметных коли­ чествах в костную ткань включаются все элементы группы НА, из которых катионы бериллия и стронция приводят к биоло­ гическим изменениям. Даже небольшое количество бериллия в окружающей среде вызывает бериллиоз (бериллиевый рахит), который сопровождается вытеснением ионов Са2+ ионами Ве^+ из костей и их размягчением вследствие меньшего радиуса ио­ на Ве2+.

Ионы стронция также способны замещать ионы Са2+ в кос­ тях, но вследствие большего радиуса иона вызывают ломкость костей (стронциевый рахит). Это эндемическое заболевание ха­ рактерно для регионов с повышенным содержанием стронция в

277

почве. Особую опасность представляет радиоактивный изотоп стронций-90, который, оседая в костях, облучает костный мозг и нарушает костномозговое кроветворение.

Из анионов костная ткань содержит также карбонат и фто­ рид. Последний входит в состав зубной эмали в виде фторидфосфата кальция Са5(Р0 4)зГ. Замена гидроксид-аниона на фто­ рид-анион значительно повышает твердость и устойчивость зуб­ ной эмали к растворению. Другим физико-химическим фактором, защищающим зубы от разрушения, является повышенная кон­ центрация ионов кальция в слюне.

Особенности процесса камнеобразования. В организме человека ионы Са2+ могут образовывать разные малораствори­ мые соединения, которые называют камнями. Камнеобразование - сложный физико-химический процесс, в основе которого лежит не только образование малорастворимых соединений, но

инарушение коллоидного равновесия в тканях организма (разд. 27.2). Нарушение коллоидного равновесия вызывается уменьшением толщины защитного слоя из ионов стабилизатора

ибелковой защиты вокруг ультрамикрокристаллов соединения, что приводит к их слипанию с образованием более крупных кристаллов. Таким образом, формирование камней происходит из коллоидных частиц в результате процесса коагуляции.

Почечнокаменная болезнь связана с образованием в мочевых органах камней различного состава. При повышении концентра­ ции мочевой кислоты образуются ее малорастворимые соли - ураты кальция. Их образованию способствует кислая среда мочи (pH < 5). В щелочной моче (pH > 7) могут образовываться мало­ растворимые фосфаты кальция. Малорастворимые оксалаты каль­ ция могут встречаться как в кислой, так и в щелочной моче. Размеры камней варьируют от очень мелких (песок) до величи­ ны крупного яйца.

Основным принципом лечения почечнокаменной болезни является растворение камней за счет извлечения из них ионов кальция комплексообразователями: этилендиаминтетрауксусной кислотой и ее солью трилоном Б, а также лимонной кислотой и

еесолями. В народной медицине для связывания катионов кальция и уменьшения отложения солей используют лимоны. Больным с уратными камнями назначают молочно-растительную

диету, поскольку она ощелачивает мочу, что препятствует росту уратных камней. С целью их растворения назначают цитраты калия или натрия. При фосфатных камнях рекомендуют кислые минеральные воды и трилон Б для их растворения. При на­ личии камней из оксалата кальция используют щелочные ми­ неральные воды и трилон Б. В начальной стадии почечнока­ менной болезни полезны отвары и настои лекарственных рас­ тений, которые содержат вещества, играющие защитную роль, так как препятствуют слипанию ультрамикрокристаллов буду­ щих камней.

278

Желчнокаменная болезнь связана с образованием холесте­ риновых камней, билирубината кальция, а также карбоната кальция. Отложение карбоната кальция может происходить на стенках кровеносных сосудов, вызывая кальциноз.

Будущему врачу необходимо понимание закономерностей об­ разования и растворения малорастворимых солей для профилак­ тики и лечения различных заболеваний, вызываемых наруше­ ниями минерального обмена в организме человека.

Процессы выделения и расслоения в медико-биологической практике. Важную роль в медико-биологической практике иг­ рают гетерогенные процессы с выделением биосубстратов, преж­ де всего белков, из биологических жидкостей. Водные раство­ ры белков достаточно устойчивы; их стабильность обусловлена двумя основными факторами: наличием вокруг белковой моле­ кулы устойчивой гидратной оболочки, состоящей из структури­ рованного (плотного) и деструктурированного (рыхлого) водных слоев, а также наличием у белка заряженных групп (—СОО~, "NHJ). Для выделения из раствора необходимо прежде всего уменьшить гидрофильность белка путем разрушения его гид­ ратной оболочки или изменения содержания и характера его заряженных групп. Процессы выделения белков весьма разно­ образны, однако их можно разделить на две группы.

1. Обратимые процессы выделения, при которых выделяе­ мые (осаждаемые) белки не подвергаются глубоким измене­ ниям и поэтому могут быть опять растворены в воде. Моле­ кулы белка при этом не подвергаются заметной денатурации (разд. 21.4) и сохраняют свои первоначальные нативные свой­ ства (ферментативную активность, антигенные свойства). К об­ ратимым процессам выделения (осаждения) белка относятся: высаливание с помощью насыщенных растворов хорошо рас­ творимых солей (Na2S04, (NH4)2S04, MgS04, NaCl) и способ за­ мены растворителя (добавление к водному раствору белка боль­ ших количеств спирта или ацетона). В этих случаях молекулы добавляемых агентов гидратируются и тем самым способству­ ют разрушению гидратной оболочки вокруг белка. При этом сами агенты не вступают с белком в химическое взаимодейст­ вие и не влияют на содержание и характер его заряженных групп. Постепенное добавление агента позволяет фракциони­ ровать белки по их молекулярной массе, так как чем больше молекулярная масса белка, тем легче он выделяется из рас­ твора (разд. 7.3).

2. Практически необратимые процессы выделения белка, когда белки при выделении претерпевают глубокие изменения структуры, денатурируют, теряют свои нативные свойства и не могут быть вновь растворены в воде. В основе необратимых про­ цессов выделения белка лежит не только его дегидратация, но и взаимодействие с добавляемыми реагентами; такие процессы на­ зывают реагентной обработкой.

279

Необратимое осаждение белка из растворов происходит при добавлении солей тяжелых металлов. Ионы ряда тяжелых ме­ таллов: меди, серебра, ртути, цинка, свинца, - взаимодействуя с полярными группами белков, нарушают систему различных видов внутри- и межмолекулярных взаимодействий белковой молекулы и образуют нерастворимые комплексы. Особенно эф­ фективно осаждают белки соли серебра и ртути. Токсическое действие ионов тяжелых металлов основано преимущественно на их комплексообразовании с белками, которое сопровождает­ ся денатурацией последних.

Концентрированные минеральные кислоты (азотная, соляная, серная) и растворы сильных органических кислот (трихлоруксусная, сульфосалициловая) вызывают осаждение белка не толь­ ко за счет дегидратации белковых молекул, но и за счет прото­ нирования их групп, проявляющих основные свойства (—СОО- , —NH2), которые при этом изменяют свой заряд:

Это приводит к изменению внутри- и межмолекулярных взаи­ модействий белковой молекулы и ее денатурации. В избытке серной и соляной кислот, а также при длительном их воздейст­ вии выпавший осадок денатурированного белка может раство­ риться, вероятно, из-за частичного гидролиза. В избытке азот­ ной кислоты и органических кислот подобного растворения не наблюдается. Сильные кислоты, особенно трихлоруксусная ки­ слота (CCI3COOH), которая не осаждает продукты распада белка и аминокислоты, часто используются для полного удаления бел­ ка из биологических жидкостей.

Для необратимого осаждения белка применяют также вод­ ные растворы фенола и формальдегида (формалин). Эти реаген­ ты активно вступают в химическое взаимодействие с молеку­ лами белка, изменяют их состав, структуру и уменьшают рас­ творимость. От действия фенола осадок выпадает быстрее, а при добавлении формалина он образуется медленно. Дезинфи­ цирующее действие фенола и формалина основано на денатура­ ции белков микроорганизмов.

Процессы высаливания, замены растворителя и реагентной обработки лежат в основе выделения не только белков, но и других биосубстратов: нуклеиновых кислот, полисахаридов и их комплексов с белками и липидами.

Необратимое осаждение белков из раствора происходит при нагревании выше 50 °С вследствие разрушения гидратной обо­ лочки и изменений во внутри- и межмолекулярных взаимодейст­ виях, приводящих к потере гидрофильности белков и к их дена­ турации. Важную роль в осаждении белков играют концентрация водородных ионов (pH) и присутствие солей. Наиболее полное и

2 8 0

быстрое осаждение происходит из раствора с pH, соответствую­ щим изоэлектрической точке белка (разд. 21.4). В сильнокис­ лых и щелочных растворах белок не выпадает в осадок даже при кипячении, так как он приобретает соответственно сильно положительный или сильно отрицательный заряд, что препят­ ствует ассоциации его одноименно заряженных частиц и спо­ собствует гидролизу белка в этих условиях.

Достаточно концентрированные водные растворы белков и полисахаридов при добавлении к ним посторонних раствори­ мых веществ склонны к расслаиванию с образованием двух несмешивающихся жидкостей. Одна из этих жидкостей - на­ сыщенный раствор воды в биополимере, а другая - насыщен­ ный раствор биополимера в воде. Подобный процесс называется коацервацией (разд. 27.3.4). Коацервация происходит из-за гидра­ тации молекул добавленного вещества, которая приводит к час­ тичному разрушению гидратных оболочек вокруг растворенных макромолекул и уменьшению их гидрофильности. Это способст­ вует взаимодействию макромолекул с возникновением ассоциатов, имеющих общую гидратную оболочку, и с отслоением обра­ зовавшегося насыщенного раствора воды в биополимере в виде новой несмешивающейся жидкости, называемой коацерватом. Коацерваты рассматриваются как зародыши простейших форм жизни, так как коацервация является одной из стадий упоря­ дочения вещества.

Внутриклеточные жидкости не содержат свободной воды и являются термодинамически неравновесными водными система­ ми, поэтому их следует отнести к пересыщенным растворам, псевдоравновесное состояние которых поддерживается благодаря динамичности живой клетки. При попадании в клетку посто­ ронних соединений происходит гидратация их молекул в основ­ ном за счет "дструктурированной" воды гидратных оболочек внутриклеточных биосубстратов. В результате уменьшается со­ отношение "деструктурированная"/"структурированная" вода, что приводит к разрушению существующих гидратных оболочек вокруг клеточных компонентов и может способствовать расслое­ нию системы и появлению новой границы раздела фаз. Расслое­ ние, т. е. отделение каких-либо клеточных компонентов от внутриклеточной жидкости, сразу приводит к прекращению процессов, протекавших с участием этих компонентов, а следо­ вательно, к резкому изменению биологических функций клетки.

Иллюстрацией применения описанного явления может слу­ жить анестезирующий эффект химически достаточно инертных веществ, таких как диэтиловый эфир хлороформ CHCI3, закись азота N 2O, фторотан СЕзСВгСШ, ксенон. Согласно ги­ потезе Л. Полинга (1961), развитой новосибирской школой ака­ демика А. В. Николаева и профессора И. И. Яковлева, молеку­ лы этих веществ, попадая в клетки головного мозга, гидрати­ руются за счет "неструктурированной" воды и создают вокруг

281

ЭЛЕМЕНТЫ-ОРГАНОГЕНЫ

Глава 12

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ОРГАНОГЕНОВ

После изучения этой главы вы должны:

-усвоить понятия: макроэлемент, микроэлемент, органоген, металлы жизни, биогенные элементы;

-знать: элементы, являющиеся органогенами, металлами жиз­ ни, токсикантами; закономерности распределения биогенных эле­ ментов по S-, р-, d-блокам; строение атомов каждого органогена, его основные валентные состояния и характерные особенности об­ разуемых им химических связей; кислотно-основные, окислительно­ восстановительные и комплексообразующие свойства органогенов

иих соединений;

-иметь представление о специфичности роли каждого органо­ гена и его соединений в живых системах.

12.1.КЛАССИФИКАЦИЯ И РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА

ИОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Химический состав ж ивы х организмов, как было показано в трудах академика В. И. Вернадского, находится в тесной взаимосвязи с химическим составом земной коры и океанов (см. рис. 12.1). Академик А . П. Виноградов установил, что к о ­ личественное содержание химических элементов в организме об­ ратно пропорционально их порядковым номерам, поскольку ос­ нову организма составляют элементы первых трех периодов пе­ риодической системы Д. И. Менделеева.

284

Решающее значение в использовании живыми организмами тех или иных химических элементов принадлежит соотнош е­ нию различных их свойств, их доступности для организмов в окруж ающ ей среде, а также способности организмов избира­ тельно поглощ ать и концентрировать их. С точки зрения химии естественный отбор элементов сводился к отбору таких элемен­ тов, которые способны к образованию, с одной стороны, доста­ точно прочных, а с другой - лабильных химических связей.

Благодаря естественному отбору основу живых систем состав­ ляют только шесть элементов: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и сера (S), - получивш их название ор­ ганогены. Общая массовая доля этих элементов в организме че­

прежде всего исключительное разнообразие образуемых ими свя­ зей, что определяет многообразие биомолекул в живых организ­ мах. Органогены образуют в основном водорастворимые соедине­ ния, что способствует их концентрированию в ж ивых организ­ мах, содерж ащ их более 60 % воды.

менее 0,1. Все металлы жизни в организме или находятся в ви­ де свободных катионов, или являются ионами-комплексообра- зователями, связанными с биолигандами. В виде свободных ка­ тионов находятся только натрий и калий, катионы кальция и магния встречаются как в свободном, так и в связанном состоя­ нии (в виде комплексов или водонерастворимых соединений). Катионы остальных металлов жизни в основном входят в состав биокомплексов организма, устойчивость которы х варьирует в ш ироких пределах.

Все элементы-органогены и металлы жизни содержатся не только в организме человека, но также имеют ш ирокую распро­ страненность в земной коре и водах океана, что наглядно иллю­ стрирует рис. 12.1. Согласно приведенным данным, строго в со­ ответствии с предположением В. И. Вернадского, между элемент­ ным составом человеческого организма, океана и земной коры прослеж иваются определенные взаимосвязи, указывающ ие на единство живой и неживой природы и подтверждающие основ­ ные законы диалектики: перехода количества в качество, един­ ства и борьбы противоположностей, отрицания отрицания.

Все элементы, приведенные на рисунке, являются биоген­ ными элементами.

2 85