Слесарев. Основы Химии живого

к повышению осмотического давления в кишечнике, всасыва­ нию воды, усилению перистальтики и его опорожнению.

Калий хлорид КС1 применяют при гипокалиемии (пониженное содержание калия в организме), которая возникает при рво­ те, поносах, длительном применении мочегонных средств и по­ сле операций.

Натрий пероксид NasOs и калий надпероксид КО2 приме­ няют в замкнутых объектах (подводных лодках и космических кораблях) для поглощения оксида углерода(1У) и регенерации кислорода:

2Na2 0 2 + 2С02 - 2Na2 C08 + 0 2

4К02 + 2С02 * 2К2 С03 + 302

13.1.2. МАГНИЙ И КАЛЬЦИЙ

В организме взрослого человека содержится катионов маг­ ния около 20 г, а кальция - 1000 г. Половина количества ка­ тионов магния и почти 99 % кальция находится в костной тка­ ни, остальное - в мягких тканях. Суточная потребность в ка­ тионах магния составляет около 0,3 г, кальция - 1 г, причем у женщин в период беременности потребность в катионах каль­ ция возрастает в 3-4 раза.

Магний и кальций - элементы IIA группы периодической системы. Атомы элементов этой группы имеют во внешнем слое два электрона на s-цодуровне (i2Mg : 3s2; 2оСа : 4s2), которые они стремятся отдать в соединениях партнеру. При этом они об­ разуют двухзарядные катионы Mg2+ и Са2+ с электронной кон­ фигурацией ближайшего благородного газа. Однако, в отличие от соединений элементов IA группы, свойства соединений IIА группы при движении сверху вниз изменяются более резко. Так, оксид и гидроксид бериллия амфотерны, оксид и гидро­ ксид магния несильно проявляют основные свойства и практи­ чески нерастворимы в воде, а оксиды и гидроксиды кальция, стронция, бария и радия растворимы в воде с образованием сильнощелочной среды, и поэтому они называются щелочнозе­ мельными металлами.

Различие в свойствах катионов магния и кальция в водной среде связано с различием в плотности положительного заряда на их поверхности. Поскольку катион Mg2+ имеет меньший ра­ диус, чем Са2+ (66 и 99 пм соответственно), то он гидратируется лучше, а кроме того, его свободные атомные орбитали внешнего уровня, включая Зс£-орбитали, способны взаимодействовать с неподеленными парами электронов молекул воды, образуя дос­ таточно устойчивые аквакомплексы [Mg(H20)g]2+. Поэтому в гидратной оболочке катиона магния молекулы воды удержива­ ются (х = 7 • 10“5 с) значительно сильнее, чем в гидратной оболочке катиона кальция (т = 2 • 10“8 с). Эти данные указы­ вают на большую способность катиона магния образовывать ко­

341

валентные связи по сравнению с катионом кальция. В связи с этим катионы магния, в отличие от катионов кальция, способ­ ны к гидролизу:

Mg2+ + Н20 ^ Mg(OH)+ + Н+

Хотя комплексообразующая способность катиона магния больше, чем у катиона кальция, но и Са2+, в отличие от катио­ нов К+ и Na+, образует достаточно прочные комплексы с ами­ нокислотами и белками. Причем катион Mg2+ более жесткий комплексообразователь, а Са2+ - более мягкий, поэтому Mg2+ больше "любит” кислород- и фосфатсодержащие лиганды, а Са2+ - кислород- и азотсодержащие лиганды. Именно склонность к комплексообразованию является характерной особенностью этих ка­ тионов в условиях организма.

Основная масса катионов магния, находящегося вне костей, сосредоточена внутри клеток. Ионы магния играют важную роль в поддержании осмотического давления внутри клеток. Основная масса магния в крови содержится в ионизованной форме, т. е. в виде акваиона (55-60 %), приблизительно 30 % связано с белками, а 10-15 % входит в состав комплексных со­ единений с фосфолипидами и нуклеотидами.

Катионы магния за счет комплексообразования являются одним из основных активаторов ферментативных процессов. Так, они активируют ферменты окислительного фосфорилирования, репликации ДНК и минерализации костной ткани. Кро­ ме того, с помощью катионов магния формируются рибосомы из РНК и белков и в них активируется процесс синтеза белков. Во внутриклеточной жидкости ионы Mg2+ образуют комплексы с анионами АТФ и АДФ, которые являются активной формой этих субстратов, способствуя их активному гидролизу, сопро­ вождающемуся выделением энергии, а также участию в реак­ циях фосфорилирования:

Все эти данные свидетельствуют о большом сродстве катионов Mg2+ к атомам кислорода фосфатов.

В то же время катионы Mg2+ комплексуются и с атомами азота. Так, в хлорофилле растений Mg2+ занимает центральное место в порфириновом лиганде, образуя с его четырьмя атома­ ми азота четыре связи. За счет комплексообразования магния с белками происходит активация многих ферментов.

Ионы магния подавляют в мозгу центры регуляции дыха­ ния и кровеносных сосудов, вызывая понижение артериального давления крови. Они также способствуют выведению холесте­ рина из организма, усилению перистальтики кишечника и сек­ реции желчи.

В отличие от ионов магния, катионы кальция преимущест­ венно сосредоточены в межклеточных жидкостях. Обмен каль­ ция в организме контролируется гормонами паращитовидных и

342

щитовидной желез, а также витамином D. При понижении концентрации ионов Са2+ в плазме крови интенсифицируется выделение гормона паращитовидных желез, под влиянием ко­ торого остеокласты усиливают растворение минеральных соеди­ нений в костях, что повышает содержание Са2+ в плазме крови. В свою очередь, при увеличении уровня Са2+ в плазме крови гормон щитовидной железы активирует работу остеобластов по отложению кальция в костной ткани. Поступление кальция из пищи осложняется плохим его всасыванием из-за образования в желудочно-кишечном тракте практически нерастворимых фос­ фата кальция Саз(Р04)2 и кальциевых солей жирных кислот Са(СЛН2Л+1СОО)2. В процессах всасывания кальция из желудка и кишечника существенную роль играет витамин D.

Основным минеральным компонентом костной ткани явля­ ется гидрофосфат кальция Са5(Р04)з0Н (гидроксоапатит). Кост­ ная ткань обеспечивает поддержание концентрации ионов Са2+

вбиологических жидкостях на определенном уровне, поэтому ее можно рассматривать как кальциевый буфер организма. Процессы обмена кальция с участием костной ткани были под­ робно рассмотрены в разд. 11.4.

Костная ткань содержит в небольших количествах катионы практически всех металлов, встречающихся в организме, вы­ полняя функцию минерального депо. В заметных количествах в костную ткань включаются все элементы группы IIA, из кото­ рых катионы Ве2+, Sr2+ и Ва2+ приводят к патологическим из­ менениям (разд. 11.4). Из дополнительных анионов костная ткань может содержать карбонат- и фторид-ионы, последний входит в состав зубной эмали (Са5(Р04)зР). Замена гидроксогруппы на фторид-анион значительно повышает твердость и снижает рас­ творимость костной ткани.

Ионы кальция участвуют в передаче нервного импульса, со­ кращении мышц, регуляции сердечного ритма, а также в про­ цессе свертывания крови, активируя превращение протромбина

втромбин и ускоряя превращение фибриногена в фибрин, что способствует агрегации тромбоцитов. Катионы кальция пони­ жают возбудимость ЦНС, поэтому уменьшение их содержания в организме проявляется в судорогах. Ионы кальция влияют на кислотно-основной баланс организма, действие эндокринных же­ лез, а также обладают противовоспалительным и антиаллергическим действием. Они являются биологическими антагониста­ ми ионов натрия, калия и магния.

Общая концентрация ионов кальция в плазме крови состав­

ляет 2,5* 10~3 М у из них 40 % связано в комплексы с белками, 14 % - в комплексы с лактатами и цитратами и 46 % находит­ ся в ионизованной форме. При высокой концентрации ионизо­ ванного кальция в плазме (гиперкальциемия) назначают внутрь фосфат натрия, который предотвращает всасывание кальция, поступающего с пищей. Если концентрация в плазме превысит

343

3,75* IQ-3 My то, учитывая опасность остановки сердца, немед­ ленно вводят внутривенно смесь фосфатов натрия и калия. Для связывания кальция также используются соли лимонной кисло­ ты (цитрат натрия), которые предотвращают свертывание крови при ее консервации на станциях переливания крови. В народ­ ной медицине лимоны применяют для уменьшения отложения солей.

В медицинской практике используются следующие соедине­ ния магния и кальция.

Оксид магния MgO (жженая магнезия), основной карбонат магния Mg(OH>2 *4MgCC>3 *НгО (белая магнезия), кальция кар­ бонат СаСОз (мел осажденный) являются основными антацидными средствами, применяемыми для уменьшения кислотности желудочного сока.

Магния сульфат MgS04 *7Н20 (горькая соль или магнезия) используется при гипертонии как слабительное и желчегонное средство, а также как успокаивающее средство для ЦНС.

Кальций хлористый СаОД •6Н2О применяют как противо­ воспалительное и антиаллергическое средство, для снятия сер- дечно-сосудистого спазма, для улучшения свертывания крови, при переломах костей и ревматизме.

Органические соединения кальция: глютаминат, глюконат, глицерофосфат, аденозинтрифосфат, пантотенат и пангамат Са применяются как общеукрепляющие средства.

Гипс 2CaS04 •Н2О широко используется в травматологиче­ ской и стоматологической практике, так как при замешивании его с водой образуется нерастворимый CaS04 •2Н2О:

2CaS04 *Н20 + ЗН20 = 2(CaS04 2Н20 )

т

В результате происходит быстрое затвердение с некоторым уве­ личением объема, что используется для фиксации при перело­ мах костей и получения хороших слепков в стоматологии.

1 3 .2 . ХИМИЯ ИОНОВ cf-METAJIJlOB В ОРГАНИЗМЕ

В процессе биологической эволюции природа из 32 d-ме- таллов в основном отобрала d-металлы 4 периода: Mn, Fe, Со, Си, Zn, у которых на 3<э?-подуровне пять и более электронов, а также молибден - d-элемент 5 периода VIB группы. Естественно, что в организме присутствуют и "работают” катионы других d-элемен­ тов, но катионы перечисленных выше металлов встречаются зна­ чительно чаще. Ввиду заполнения у d-элементов электронами d- подуровня предвнешнего слоя электронные оболочки их атомов довольно лабильны и в соединениях для них характерна пере­ менная валентность. В организме встречаются соединения d- металлов в таких степенях окисления, в которых они не являют­ ся ни сильными окислителями, ни сильными восстановителями. Поскольку для атомов всех d-металлов характерно наличие сво­

344

бодных атомных орбиталей, то все они являются активными комплексообразователями. Чаще всего в биохимических реакци­ ях ионы d-металлов участвуют в виде комплексов, лигандами в которых выступают аминокислотные остатки, пептиды, белки, нуклеиновые кислоты. Именно склонность ионов d-металлов к комплексообразованию и окислительно-восстановительным пре­ вращениям, а в случае комплексов цинка - к кислотно-основным превращениям, лежит в основе их биологического действия.

Ионы d-металлов в результате взаимодействия с указанны­ ми биосубстратами образуют комплексы, в которых наряду с другими факторами они обеспечивают поддержание определен­ ной пространственной конформации биополимеров для необхо­ димой биологической активности их макромолекул. Так, в фор­ мировании активной формы гормона инсулина определяющая роль принадлежит катиону Zn2+. Та или иная конформация вы­ сокополимерной РНК в огромной степени определяется ионной силой раствора, но непосредственное формирование ее спираль­ ной структуры происходит при участии катионов Мп2+ и Zn2+.

Ионы d-металлов принимают активное участие в фермента­ тивном катализе. Действие более четверти известных в настоя­ щее время ферментов связано с участием иона металла. В боль­ шинстве случаев ионы металлов вступают в непрочную связь с белком фермента и субстратом, образуя легко распадающийся комплекс. В таком комплексе фермент, приобретая соответствую­ щую конформацию, проявляет максимальную активность. Акти­ вации ферментов, вследствие образования динамичных комплек­ сов, особенно часто способствуют катионы марганца, цинка, меди (d-металлы), а также Mg2+ и Са2+ (s-металлы).

Значительно реже ионы d-металлов образуют с белком фер­ мента прочное соединение - истинный металлопротеин, в котором активный центр фермента содержит ион d-металла. Классиче­ ским примером ферментов подобного типа могут служить цитохромы, ксантиноксидаза и карбоангидраза. В случае цитохромов и ксантиноксидазы биологическая активность этих комплексов связана с окислительно-восстановительными свойствами ионов d-металлов, входящих в их состав, а действие карбоангидразы основано на амфотерных свойствах иона цинка.

Кроме ферментов ионы d-металлов образуют с белками и дру­ гими биосубстратами транспортные биокомплексы, которые дос­ тавляют в ткани кислород, биометаллы и другие метаболиты. Устойчивость этих комплексов также может быть различной.

Таким образом, в основе биологического действия ионов d~ металлов в организме находится их способность образовывать кик малоустойчивые (динамические), так и очень устойчивые комплексы с биосубстратами, а также их окислительно-восста­ новительные и кислотно-основные свойства. Основными биоли­ гандами являются белки, содержащие, как правило, мягкие центры: группы —SH, —NH2, —COO", поэтому они с мягкими легкополяризуемыми катионами Cu2+, Со2+, Fe2+ образуют проч­

345

ные комплексы, а с жесткими комплексообразователями Мп2+, Са2+, Мg2+ - неустойчивые комплексы.

13.2.1.МАРГАНЕЦ

Ворганизме человека содержится около 12 мг марганца, причем 43 % этого количества находится в костях, остальное -

вмягких тканях.

Марганец - элемент 4 периода VIIB группы периодиче­ ской системы. Электронная конфигурация атома марганца ls22s22p63s23p63d54s2, орбитальный радиус 128 пм. В соедине­ ниях он проявляет различные степени окисления: +2, +3, +4, +6, +7. Как у всех d-элементов, соединения марганца с низшей степенью окисления +2 проявляют основные и восстановитель­ ные свойства.

В нейтральных или кислых водных растворах двухвалент­ ный марганец образует окрашенный в бледно-розовый цвет ак­ вакомплекс [Мп(Н20)в]2+, который довольно прочно удерживает молекулы воды (т — 10~° с) и устойчив к окислению в данных условиях. В щелочной среде образуется малорастворимый гид­ роксид Мп(ОН>2, неустойчивый по отношению к кислороду, растворенному в воде. Соединения марганца с высшими степе­ нями окисления +6, +7 проявляют кислотные и окислительные свойства. В водных растворах супгествуют в виде кислородсо­ держащих анионов: манганат МпО|~ и перманганат Мп04. Со­ единения марганца с промежуточными степенями окисления проявляют амфотерность и окислительно-восстановительную двой­ ственность. Эти закономерности хорошо прослеживаются в свойст­

346

Изменение кислотно-основных свойств соединений марганца в зависимости от его степени окисления можно иллюстрировать следующими реакциями:

Окислительно-восстановительные свойства соединений марганца(П) сильно зависят от кислотности среды и окислительно­ восстановительных свойств партнера:

Последняя реакция используется в санитарно-гигиенической практике для определения концентрации растворенного кисло­ рода в анализируемой воде (разд. 14.3).

Соединения Mn(IV) могут быть и окислителями и восстано­ вителями, в зависимости от свойств второго реагента:

ЗМп02 + КС103 + 6К0Н = 3K2 Mn04 + КС1 + ЗН20

Соли манганаты, содержащие анион МпО|“, устойчивы толь­ ко в сильнощелочной среде, а в остальных средах неустойчивы. Так, в нейтральной среде протекает реакция окислительно-вос­ становительного диспропорционирования:

3Na2 Mn04 + 2Н20 - 2NaMn04 + Мп02 + 4NaOH

347

Перманганаты - сильные окислители, особенно в кислой среде:

2КМп04 + 5Na2S03 + 3 H2SO4 * 2+MnS04 + 5Na2S04 + K2S04 + 3H20 2KMn04 + 3Na^S03 + Н20 = 2+Mn02 + 3Na2 S04 + 2KOH

2KMn04 + NagSOg + 2KOH - 2K2 Mn04 + Na2S04 + H20

Высокая окислительная способность Mn(VII) проявляется в ре­ акции получения кислорода при прокаливании соли КМп04:

Для организма перманганаты ядовиты при попадании внутрь из-за их сильных окислительных свойств. Для обезвреживания острых отравлений перманганатом используют 3 % раствор пе­ роксида водорода в уксуснокислой среде:

2КМп04 + 5Н20 2 + 6 СН3СООН = 2(СН3СОО)2Мп + 2СН3ОООК + б02 + 8Н20

Раствор перманганата калия является прижигающим и бак­ терицидным препаратом для обработки поверхности кожи и слизистых оболочек. Сильные окислительные свойства перман­ ганата в кислой среде лежат в основе метода перманганатометрии, широко используемого в санитарно-клиническом анализе.

В биологических системах марганец присутствует в виде ионов Мп2+ или его комплексов с белками, нуклеиновыми ки­ слотами и аминокислотами. Хотя эти комплексы из-за большо­ го радиуса катиона Мп2+ и его жесткости обычно мало устой­ чивы, они способствуют активации большого числа ферментов разных классов: трансфераз, гидролаз, изомераз. Ионы Мп2+ стабилизируют конформацию нуклеиновых кислот, участвуют в процессах репликации ДНК, синтезе РНК и белка. Таким обра­ зом, биогенная функция ионов марганца имеет широкий спектр: оказывает влияние на кроветворение, образование кос­ тей, минеральный обмен, рост, размножение и некоторые дру­ гие функции.

Еще одна особенность иона Мп2+ - универсализм, так как он может выполнять каталитическую функцию подобно Си2+, Fe2+, Zn2+, но в то же время действовать подобно Mg2+ и Са2+. В отличие от Мп2+, катион Мп3+ очень прочно связывается с бел­ ками, причем преимущественно с кислородными донорными груп­ пами, и поэтому Мп3+ совместно с Fe3+ входит в состав трансфе-

348

рина, супероксиддисмутазы и кислотной фосфатазы, т. е. в со­ став типичных металлопротеинов.

13.2.2. Ж ЕЛЕЗО И КОБАЛЬТ

В организме человека содержится около 5 г железа и 1,2 мг кобальта. Большая часть железа (70 %) сосредоточена в гемо­ глобине крови; 14 % кобальта находится в костях, 43 % - в мышцах и остальная часть - в мягких тканях. Ежедневное по­ требление железа - 10-20 мг, а кобальта - 0,3 мг.

Железо и кобальт - элементы 4 периода VIIIB группы периодической системы с электронными конфигурациями 2б^е: ls*2s22p63s23p63d4s2; 27Со: ls22s22p63s23p63d74s2.

Орбитальные радиусы, энергия ионизации и электроотрица­ тельность для атомов Fe и Со составляют соответственно: горб - 123 и 118 пм, Еи - 761 и 757 кДж/моль, ОЭО - 1,83 и 1,88. Наиболее характерные степени окисления для железа и кобаль­ та +2 и +3.

В водных растворах катионы Fe2+, Fe3+, Со2+ и Со3* гидрати­ руются с образованием шестикоординапионных аквакомплексов. Аквакомплексы [Fe(H20)e]3+ и [Со(Н20)ег+ устойчивы, [FeOHfeOfe]2* малоустойчив из-за восстановительных свойств Fe2+, а ГСо(Н20)в]3+ неустойчив из-за сильных окислительных свойств Со*+:

Таким образом, Fe24*- достаточно сильный восстановитель, способный окисляться даже кислородом воздуха, а Со3+ - на­ столько сильный окислитель, что окисляет даже воду:

4Fe(OH) 2 + 0 2 + 2Н20 - 4Fe(OH) 3

2Co2 (S04 ) 3 + 2Н20 - 4CoS04 + 2H2S04 + 0 2t

Оксиды и гидроксиды железа и кобальта независимо от сте­ пени окисления проявляют слабые амфотерные свойства с пре­ обладанием основных свойств, особенно в случае двухвалент­ ного состояния, когда взаимодействие протекает только с концентрированными растворами щелочей и при нагревании. Однако взаимодействие СоООН (устойчивая форма) с соляной или серной кислотой осложняется протеканием окислительно­ восстановительной реакции из-за сильных окислительных свойств Со3+.

Основные свойства

349

Кислотные свойства

Fe(OH) 2 + 2МаОН(конц) - Na2 [Fe(OH)4]

Co(OH) 2 + 2NaOH (конц) = Na2 [Co(OH)4]

Fe2 0 3 + 6 NaOH + 3H20 - 2Na3 [Fe(OH)e]

CoOOH + 3NaOH + H20 - Na3 [Co(OH)e]

Вследствие амфотерности оксидов железа и кобальта они обра­ зуют двойные оксиды Fe304(Fe0 •Fe203), Соз04(СоО* С02О3), ко­ торые можно рассматривать как соли Fe(FeC>2)2 и Со(Со02)2. Ок­ сид Fe^O^, растворяясь в соляной кислоте, образует соли двух- и трехвалентного железа, а взаимодействие Соз04 сопровождается образованием C0CI2 и хлора:

Fe3 0 4 + 8НС1 - FeCl2 + 2FeCl3 + 4Н20

Со3 0 4 + 8НС1 * ЗСоС12 + С12 + 4Н20

Водные растворы железа и кобальта вследствие образования аквакомплексов окрашены по-разному: [Fe(H20)e]2+ - бледнозеленый, [Fe(H20)er+ - желтый, [Co(H20)g]2+ - розово-красный, что используется в аналитической практике.

Катионы железа и кобальта очень склонны к комплексообразованию. Для них наиболее вероятно координационное число шесть:

FeS04 + 6 KCN = K2S04 + K4 [Fe(CN)e] - калий гексацианоферрат(П)

(желтая кровяная соль)

Fe(S0 4 )3 + 12RCN = 3K2S04 + SKgtFeCCNJe] - калий гексацианоферрат(Ш)

(красная кровяная соль)

СоЭ04 + 6 NH3 ‘H /) = 6Н20 + [Co(NH3 )e]S04 - гексаамминокобальта(Н) сульфат

Комплексообразование катионов железа и кобальта сильно, но по-разному влияет на их окислительно-восстановительные свой­ ства в зависимости от соотношения устойчивости комплексов окисленной (М3+) и восстановленной (М2+) форм с одними и теми же лигандами (разд. 10.3). Эта особенность окислительно-восста- новительных свойств ионов железа в их биокомплексах важна для понимания работы цитохромов и различий в их окислитель- но-восстановительных свойствах (разд. 9.3). Комплексообразова­ ние Со3+ с лигандами более активными, чем молекулы воды, делает его устойчивым в водных растворах.

Биологическая роль железа. К наиболее важным железосо­ держащим биосубстратам относятся гемоглобин и различные его производные, строение, функции и свойства которых были уже рассмотрены (разд. 10.4). Существует большая группа, около 50 видов, железосодержащих ферментов - цитохромов, которые ка­ тализируют процесс переноса электронов в дыхательной цепи за счет изменения степени окисления железа Fe3+ + е" ^ Fe2+ (разд. 9.3 и 10.4). Железосодержащими ферментами также яв­ ляются каталаза и пероксидаза, активные центры которых со-

350