Общая и бионеорганическая химия. Учебно-методическое пособие

Введение в химию биогенных элементов

1. Классификация элементов, содержащихся в живых организмах

Основуживыхсистемсоставляютшестьэлементов,называемых органогенами:С,Н,О,N,P,S.Наихдолювживотныхирастительных организмах приходится 97.3–97.4 % (масс.). Элементы-орга- ногены отличает в первую очередь исключительное разнообразие типов образуемых ими связей, обеспечивающее многообразие действующих в живых организмах биомолекул. Именно то обстоятельство,чтоорганогеныобразуютвосновномрастворимыевводе соединения, обеспечивает их концентрирование живыми организмами, содержащими более 60 % воды.

Представляетинтересблизостьзначенийсодержанияэлементоворганогенов в составе микроорганизмов, с одной стороны, и в со- ставемежзвездногогазаигазовоговеществакомет—сдругой,что можнорассматриватькакфакт,свидетельствующийосвязиживого вещества Земли с космосом. Аналогичное сходство, хотя и менее выраженное, существует и для живого вещества нашей планеты в целом.

Нарядусорганогенамиобычновыделяютгруппунезаменимых для живых организмов элементов — металлов, непосредственно принимающих активное участие в обеспечении жизненных про-

цессов и называемых металлами жизни: K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, на долю которых в организмах приходится около 2.4 % (масс.). Эти элементы в физиологических условиях находятся или в форме свободных (гидратированных) ионов, или в составе комплексов с биолигандами. Первая из этих форм более характерна для натрия и калия; катионы Ca2+ и Mg2+ встречаются как в виде

31

свободныхионов,такивсвязанномсостоянии(вформекомплексов или труднорастворимых солей), ионы остальных металлов жизни вследствиеихвысокойкомплексообразующейспособностидействуютвусловияхорганизмапреимущественновформебиокомплексов различной устойчивости.

Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различныхклетокорганизма,называютсябиогеннымиэлементами. Кчислутакихэлементов,кромеуказанныхвышеорганогеновиметалловжизни,можетбытьотнесенещецелыйрядэлементов.Кним следуетотнестинеметаллыF,Cl,Br,I,Si,Se,As(адлярастенийиВ) и металлы Li, Sr, Ba, Sn, Ti, V, Cr (для растений такжеAl).

Общее содержание этих элементов в организмах не превышает 0.3 % (масс.), из которых на долю хлора приходится 0.08 % (масс.), а на долю каждого из остальных — по 10–6–10–4 % (масс.).

Кромеприведеннойвышесуществуютидругиеклассификации химических элементов, содержащихся в живых организмах. Так, В. И. Вернадским была предложена система, в которой элементы подразделяются в зависимости от среднего содержания в живых организмахнатринадцатьдекад(Iдекада—содержаниеэлемента— десятки % (масс.), XIII декада — 10–11 % (масс.) и менее).

Всоответствиистакойклассификациейпосодержаниювживых организмахэлементыделятсянамакро-,микро-иультрамикроэле- менты (см. таблицу).

32

Содержание химических элементов в организме человека

* В скобках указано содержание макроэлементов в % (масс.).

33

2.Биологическая роль элементов

иприменение их соединений в медицине*

s-элементы IА группы

Водород. Свободный водород в биосфере практически отсутствует. Главными формами его нахождения в биосфере являются природные воды, газы и органические вещества. В организмах водород входит в состав углеводородов, углеводов, белков, жиров, нуклеиновыхкислот.Водороднепринимаетучастиявобразовании скелета органических соединений. Основное количество атомов водорода заключено в воде, на долю которой приходится более 90 % массы живой клетки. Вся химия клетки основана на том, что растворителем в клеточных системах служит вода.

Организм человека, масса которого составляет 70 кг, содержит примерно75лводы.Ворганизмеимеютсядваосновныхвидажидкостисразнымсоставомэлектролитов,аименно:внутриклеточная, вкоторойпреобладающимкатиономявляетсякалий,ивнеклеточная с преобладанием натрия.

Другоекислородноесоединениеводорода—пероксидводорода Н2О2,которыйобразуетсявовсехклеткахорганизмаприразличных окислительно-восстановительных процессах как побочный продукт метаболизма и сразу же разлагается под влиянием фермента каталазы на воду и молекулярный кислород.

Литий. Это микроэлемент. Он является постоянной составной частьюживыхорганизмов.Ионлития,имеющийнаименьшийсреди щелочных металлов радиус, в водных растворах так сильно гидратирован (в составе ионгидрата удерживается 13 молекул воды), что егоразмервгидратированномсостояниинамногопревышаетрадиусы гидратированных ионов Na+ (удерживает 8 молекул воды) и К+ (удерживает 4 молекулы воды). Это препятствует проникновению Li+ через ионные каналы клеточных мембран. Ионы Li+, оказывая влияние на активность некоторых ферментов, регулируют ионный Na+ — К + баланс клеток коры головного мозга. Именно поэтому

* Материал приводится по кн.: Введение в химию биогенных элементов и химический анализ : учеб. пособие / под ред. Е. В. Барковского. — Минск, 1997.

34

литийсодержащие препараты находят широкое применение в психиатрической клинике.

Натрий и калий. Ионы Na+ — К+ распределены по всему организму,причемпервыевходятвсоставпреимущественномежклеточныхжидкостей,авторыенаходятсяглавнымобразомвнутриклеток. Внутриклеточнаяконцентрацияионовнатриясоставляетменее10% егосодержаниявовнеклеточнойжидкости,тогдакакконцентрация ионов калия внутри клеток почти в 30 раз выше, чем вне их.

Если оценивать абсолютные величины, то примерно 95 % ионов натрия, участвующих в обмене веществ, находится вне клеток и примерно такая же доля ионов калия — внутри клеток.С ионами Na+ связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями (15 г NaCl задерживают в организме человека до 2 л жидкостей), поддержание кислотно-щелочного равновесия ворганизме (NaHCO3 —щелочнойрезервкрови—компонентгидрокарбонатной буфернойсистемы),переносаминокислотисахаровчерезклеточную мембрану.

Ионы Na+ и К+ активируют (Na+ + К+)-аденозинтрифосфатазу клеточных мембран, которая выкачивает ионы Na+ из клетки и обеспечивает сопряженное накопление ионов К+ в клетке. Различные концентрации двух данных ионов по разные стороны мембраны обусловливаютвозникновениетрансмембраннойразностипотенциалов(до100мВ),чтообеспечиваетсуществованиелегкодоступного источника энергии для многих связанных с функционированием мембран процессов.

Лекарственные препараты на основе соединений s-элементов IА группы

В медицине применяются:

1)пероксид водорода Н2О2 (3 %-й раствор); дезинфицирующее средство для промываний и полосканий при воспалительных заболеваниях слизистых оболочек (стоматиты, ангины), для лечения гнойных ран, остановки носовых кровотечений и т. д.;

2)карбонатлитияLi2CO3;используетсядлялеченияманиакального возбуждения при различных психических заболеваниях;

35

3)хлориднатрияNaCl;взависимостиотконцентрациихлорида натрия различают изотонический (физиологический) и гипертони-

ческийрастворы.Изотоническимназывается0.9%-йрастворNaCl, так как его осмотическое давление соответствует осмотическому давлению плазмы крови (7.7 атм). Изотонический раствор используетсявкачествеплазмозамещающегораствораприобезвоживании организма, для растворения лекарственных веществ и т. д. Гипертонические растворы (3, 5, 10 %-й) применяют наружно в виде компрессов и примочек для лечения гнойных ран;

4)гидрокарбонат натрия NaHCO3 (питьевая сода); введение гидрокарбонатанатриявжелудокприводиткбыстройнейтрализации соляной кислоты желудочного сока:

NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2↑

5)декагидратсульфатанатрияNa2SO4 ∙10H2O(глауберовасоль); назначают внутрь в качестве слабительного средства;

6)декагидрат тетрабората натрия Na2B4O7 ∙ 10H2O (бура); применяют наружно как антисептическое средство для спринцеваний, полосканий, смазываний. В водных растворах бура легко подвергается гидролизу:

Na2B4O7 + H2O ↔ H3BO3 + 2NaOH

Образующаяся при гидролизе борная кислота обладет антисептическим действием;

7)иодид натрия NaI; используют как препарат иода при эндемическом зобе;

8)хлорид калия KCl; применяется при состояниях, сопровождающихся нарушением электролитного обмена в организме (неукротимая рвота, профузные поносы), а также для купирования сердечных аритмий;

9)иодид калия КI; применяют как препарат иода при заболеваниях щитовидной железы;

10)перманганаткалияKMnO4;используюткакантисептическое средство для промывания ран, полоскания рта и горла, для спринцеваний и промываний.

36

s-элементы IIА группы

Бериллий. Биологическая роль не выяснена. Соединения бериллияядовиты.Особеннотоксичнылетучиесоединениябериллия ипыль,содержащаябериллийиегосоединения.Присутствиедаже небольшого количества бериллия в окружающей среде приводит к заболеванию бериллозу (бериллиевый рахит). Ионы Be2+ вытесняют ионы Са2+ из костной ткани, вызывая ее размягчение.

Магний. Всего в организме человека содержится около 40 г магния,изнихболееполовины—вкостнойткани.Основнаямасса магния, находящегося вне костей, сосредоточена внутри клеток. Ионы Mg2+ являются вторыми по содержанию внутриклеточными катионамипослеионовК+.ПоэтомуионыMg2+ играютважнуюроль в поддержании осмотического давления внутри клеток. В организме человека и животных ионы Mg2+ являются одними из основных активаторов ферментативных процессов. Ионы магния, введенные подкожно или в кровь, вызывают угнетение нервной системы и приводят к наркотическому состоянию, понижению кровяного давления и т. д.

Кальций. Это один из пяти (О, С, Н, N, Са) наиболее распространенных элементов в организме человека (1.5 %). Основная масса имеющегося в организме кальция находится в костях и зубах. В состав плотного матрикса кости входит термодинамически и кинетически устойчивая при рН 7.40 форма фосфата кальция — Са5(РО4)3ОН. Фракция внекостного кальция, хотя она составляет всего 1 % его общего содержания в организме, очень важна из-за ее воздействия на свертываемость крови, нервно-мышечную возбудимость и сердечную мышцу.

Барий. Биогенная роль бария на настоящий момент изучена мало.Всерастворимые вводеи кислотахсолибария весьмаядовиты.НерастворимыйвводеикислотахсульфатбарияBaSO4 хорошо поглощает рентгеновские лучи, и поэтому его применяют с целью исследования желудочно-кишечного тракта человека.

Стронций. В организме животных и человека в больших количествах накапливается в костной ткани и влияет на процесс костеобразования.Избытокеговызываетломкостькостей,«стронциевый

37

рахит». Причиной является замена кальция костного вещества стронцием. Извлечь стронций из костей практически невозможно. Повышениерадиоактивногофонабиосферыможетвызватьпоявление в атмосфере продукта деления тяжелых элементов 90Sr. Оседая в кости, последний облучает костный мозг и нарушает костномозговое кроветворение.

Лекарственные препараты на основе соединений s-элементов IIА группы

В медицине применяются:

1)оксид магния MgO (жженая магнезия); является одним из основных представителей антацидных средств, используемых для уменьшения повышенной кислотности желудочного сока; при введении в желудок нейтрализует соляную кислоту желудочного содержимого;

2)гептагидрат сульфата магния MgSO4 ∙ 7H2O (магнезия); при парентеральном применении оказывает успокаивающее действие на ЦНС; в зависимости от дозы может наблюдаться снотворный или наркотический эффект;

3)гексагидрат хлорида кальция СаСl2 ∙ 6H2O; используется при аллергических заболеваниях (сывороточная болезнь, крапивница)

иаллергических осложнениях, связанных с приемом лекарств;

4)полугидратсульфатакальция2СаSO4 ∙H2O(жженыйгипс,полуводныйгипс);получаетсяпутемпрокаливанияприродногогипса

2СаSO4 ∙ 2H2O. При замачивании в воде быстро твердеет. На этом свойстве основано его использование при изготовлении гипсовых повязок. В стоматологии применяется в качестве слепочного материала при протезировании зубов;

5)сульфат бария ВаSO4; рентгеноконтрастное вещество.

р-элементы IIIА группы

Бор.Биологическаярольсоединенийборавживыхорганизмах не выяснена.

В медицине применяются:

38

1)борнаякислотаН3ВО3;антисептик,входитвсоставразличных мазей; в виде растворов (1–3 %-х) используется для полоскания ротовой полости и в офтальмологической практике;

2)декагидрат тетрабората натрия Na2B4O7 ∙ 10H2O (бура); антисептик; показания к применению те же.

Алюминий. Является микроэлементом. В медицине применяются:

1)алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2 ∙ 12H2O; обладают вяжущим, прижигающим и кровоостанавливающим действием;

2)гидроксид алюминия Al(ОН)3; обладает адсорбирующим

иобволакивающимдействием,понижаеткислотностьжелудочного сока, входит в состав комбинированного препарата «Алмагель».

р-элементы IVА группы

Углерод.Обладаяисключительнойспособностьюобразовывать вместе с другими элементами длинные цепи атомов, дает многочисленные разнообразные органические соединения и определяет их структурные особенности. Благодаря углероду возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных.

Важнейшейособенностьюатомовуглеродаявляетсяегоспособность к образованию кратных связей. Здесь уместно отметить, что способностьобразовывать кратныесвязи присущапочти исключительно углероду, азоту и кислороду. В тех редких случаях, когда мы встречаем кратные связи помимо этой тройки элементов, они чаще всего образуются серой и фосфором.

В настоящее время широко обсуждаются вопросы загрязнения биосферы диоксидом углерода, поступающим из продуктов сжигания топлива. Существует опасение, что в скором времнени увеличениесодержанияСО2 ввоздухена20%можетвызватьглобальное повышение температуры на Земле (на 4–5 °С). Дело в том, что СО2 обладаетсильнымиполосамипоглощениявинфракраснойобласти спектра. По этой причине СО2 в атмосфере, пропуская солнечную радиацию, не выпускает назад тепловое инфракрасное излучение.

Особенно вредное действие на организм человека оказывает оксид углерода (II), угарный газ. При вдыхании оксид углерода (II)

39

попадаетвкровьиобразуетпрочноесоединениесгемоглобином— карбоксигемоглобин. При этом гемоглобин теряет способность связывать кислород, что и является причиной смерти при тяжелых отравлениях угарным газом.

В медицине применяются:

1)активированныйуголь(карболен);адсорбентприотравлениях 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

ипримочек.

Кремний.Являетсямикроэлементом.Жизненноважендляроста и развития высших животных. Повышенным содержанием кремния отличаются ткани, в которых слабо развиты или отсутствуют нервныеволокна.Максимальноеегоколичествосодержитсявкоже, хрящах, сухожилиях, в местах активного обызвествления костей, в некоторых тканях глаза (радужная и роговая оболочки).

Привысокомсодержаниивовдыхаемомвоздухенерастворимых соединенийкремния(кремнезем,силикаты)развиваетсяпрофесси- ональноезаболевание—пневмокониоз(силикоз,асбестоз,талькоз) у рабочих горнорудной, угольной, цементной, фаянсовой и других отраслей промышленности.

Вмедицине применяется тальк (3MgО ∙ 4SiО2 ∙ H2О) — присыпки.

Свинец. Биологическая роль свинца не установлена. Соединения свинца токсичны. Явления острого и хронического отравления (сатурнизм) могут встречаться у рабочих различных производств, связанных с получением и применением свинца. При сатурнизме наблюдаются ряд симптомов поражения ЦНС (головная боль, бессонница, судороги, галлюцинации, атрофия зрительного нерва),

атакже нарушение функций почек (альбуминурия) и желудочнокишечного тракта («свинцовые колики»).

Вмедицине соединения свинца применяются только наружно какантисептическиеивяжущиесредства.ОксидсвинцаРbОвходит всоставсвинцовогопластыря,используемогопривоспалительных заболеваниях кожи, фурункулезе. Добавки свинца используют при

40