|
|
Химия документы. Неорганическая химия. Шпаргалки_А.А. Дроздов, М.В. Дроздова_2008. М. В. Дроздова, А. А. Дроздов Неорганическая химия. Шпаргалки
42. Биологическая роль соединений железа. Моноксид углерода СО.
Металлокомплексные свойства гемсодержащих бел–ков проявляются при действии таких токсических ве–ществ, как СО (угарный газ) и MCN (цианиды – соли синильной кислоты).
Наиболее важными с физиологической точки зре–ния являются железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидазы, каталаза. Гемо–глобин – главная составная часть эритроцитов, обес–печивает внешнее дыхание, являясь переносчиком кислорода от легких к тканям.
Железо Fe и кобальт Со – необходимые микроэле–менты живых организмов.
Моноксид углерода СО – один из продуктов непол–ного сгорания топлива. Значительные количества этого газа выделяются при работе котельных, двига–телей внутреннего сгорания, курении. При вдыхании СО с воздухом в легких параллельно с оксигемогло-бином HbO2 образуется металлокомплексное соеди–нение – карбонилгемоглобин HbCO. Константа устой–чивости HbCO примерно в 200 раз больше, чем у HbO2 –. Поэтому даже малые количества СО «перехватывают» значительную долю дезоксигемоглобина, в результате поступление кислорода к органам уменьшается. По–являются признаки гипоксии – кислородной недоста–точности. В первую очередь страдают нервные ткани. Для детоксикации (устранения отравляющего дей–ствия) моноксида углерода во многих случаях доста–точно прекратить его поступление и усилить кислород–ную вентиляцию – вывести пострадавшего на свежий воздух. При этом опять работает принцип Ле Шателье – равновесие смещается в сторону образования оксиге-моглобина.
При больших концентрациях моноксид угле–рода блокирует гемсодержащие белки клеточ–ного дыхания, и трудно избежать летального исхода.
Аналогичен механизм действия цианидов, но их ток–сичность выше, чем у СО. Поступление в кровь даже очень небольших количеств этих веществ приводит к остановке дыхания и летальному исходу. Высокая ток–сичность цианидов объясняется высокой прочностью связи Fe—CN—, что обусловливает большую устойчи–вость цианидгемоглобина.
Кислородное дыхание приводит к образованию пероксида водорода H2O2 . Это вещество обладает высо–кой окислительной способностью. При его взаимо–действии с биоорганическими соединениями клеток образуются радикалы – очень активные молекуляр–ные частицы с ненасыщенной валентностью, и иниции–руется пероксидное окисление. Под действием ради–калов разрушаются важнейшие составные части клетки – мембраны и ДНК. В ходе биологической эво–люции природа выработала особый белок – фермент каталазу, которая разрушает пероксид водорода. Тем самым ограничивается избыточное накопление этого вещества, и предотвращается разрушение клетки.
Действие каталазы (CatFe2+ ) может быть предста–влено в виде каталитического цикла из двух последо–вательных реакций:
CatFe2+ + Н2O2 – CatFe2+ × Н2O2 ,
CatFe2+ × Н2O2 + Н2O2 → CatFe2+ + 2Н2O2 + O2 .
В результате разрушаются 2 молекулы пероксида водорода, а молекула биокатализатора CatFe2+ осво–бождается и может вступать в следующий каталити–ческий цикл. Этот процесс очень быстрый. В течение секунды 1 молекула каталазы может осуществлять до 20 000 циклов.
43. Биологическая роль соединений железа и кобальта
При недостатке в организме железа может развиться болезнь – железодефицитная анемия (малокровие). Возникает тканевая кислородная недостаточность, связанная с нехваткой железа для синтеза гемоглоби–на. В результате доставка кислорода к перифериче–ским органам снижается, и, соответственно, понижает–ся уровень клеточного дыхания, замедляется обмен веществ.
Введение в качестве лекарственных препаратов хлорида железа (II) или сульфата железа (II) ослабляет остроту заболевания. Для этих же целей используется мелкодисперсный порошок металлического железа (железо восстановленное, до 1 г на прием), который легко растворяется в соляной кислоте желудочного сока. Поэтому действие этого препарата аналогично действию хлорида железа (II). Однако более эффек–тивны препараты, представляющие собой бионеорга–нические комплексы железа с сахарами, никотинамидом и другими органическими веществами. Такие комплексы хорошо всасываются в кровь, с чем и связана их фарма–кологическая эффективность.
Интересно отметить, что с древних времен до настоя–щего времени для лечения железодефицитной анемии применяют так называемое железное вино – напиток, который получают путем настаивания виноградного вина на железных опилках. Очевидно, железо раство–ряется в вине (кислая среда) и образует комплексы с природными органическими веществами, которые содержатся в нем в больших количествах. Понятно, что механизм действия древнего напитка примерно тот же, что и у современных препаратов.
Как и железо, кобальт также является одним из важнейших биогенных элементов. Общая масса кобальта в организме взрослого человека примерно 1,2 мг, что составляет менее 10%. Около 100 мг из этой массы находится в форме цианкобаламина (жирораст–воримого витамина В12 ) и его аналогов. Это вещество, как и гем, представляет собой макроциклическое комп–лексное соединение.
В качестве макроциклического лиганда выступает тетрадентатное соединение – порфин. R представляет собой сложный органический заместитель. В аналогах цианкобаламина вместо аниона CN– выступают раз–личные органические заместители.
Наиболее важную роль витамин В12 играет в разви–тии и формировании эритроцитов (эритропоэзе). Де–фицит витамина В12 (поступление менее 3 мкг в сутки) приводит к тяжелому заболеванию – злокачествен–ной анемии (малокровию).
Установлено, что аналоги цианкобаламина являются активаторами – кофакторами различных ферментов, участвующих в эритропоэзе. Недостаток кофакто–ров проявляется в дефиците гемоглобина и эритро–цитов.
Растения и животные не могут синтезировать вита–мин В12. Его вырабатывают лишь некоторые виды бак–терий. В желудочно-кишечном тракте человека такие бактерии имеются. Они синтезируют достаточное ко–личество витамина В12. Злокачественная анемия связа–на с нарушением всасывания этого витамина в кровь. Поэтому прием таблеток малоэффективен. Инъекция витамина (100—200 мкг в течение 2 суток) в кровь су–щественно улучшает состояние больного при злока–чественном малокровии.
44. Роль d-элементов IB-группы. Применение их соединений в медицине
Медь Си – необходимый микроэлемент живых ор–ганизмов. Серебро Ag и золото Au – примесные мик–роэлементы. Их соединения применяют в медицине.
Медь – биогенный элемент, содержится в тканях жи–вотных и растений. Общая масса меди в организме взрослого человека примерно 100 мг, что составляет около 0,0001%. Примерно 30% этого количества содер–жится в мышцах. Печень и мозг также богаты медью. Ме–таллическая медь и ее соединения токсичны. Наиболее важными с физиологической точки зрения являются медьсодержащие белки – цитохромоксидаза и супероксиддисмутаза.
Цитохромоксидаза – один из компонентов дыхатель–ной цепи, локализованной в мембранах митохондрий. Обеспечивает клеточное дыхание, восстанавливая кис–лород до воды на конечном участке дыхательной цепи.
Ежедневно организму требуется 2,5—5,0 мг меди. При недостатке в организме меди может развиваться болезнь – медьдефицитная анемия. Медь необходи–ма для усвоения железа, в частности, при синтезе ци-тохромоксидазы, которая содержит и железо, и медь. При дефиците меди нарушается нормальное разви–тие соединительных тканей и кровеносных сосудов.
Отравления обычно связаны со случайной передо–зировкой инсектицидов, вдыханием порошка металла, заглатыванием растворов солей меди. Большую опас–ность представляют напитки, хранящиеся в медных сосудах без защитного покрытия стенок.
В качестве наружного средства применяют 0,25%-ный водный раствор сульфата меди CuSO4 при воспалении слизистых оболочек и конъюнктивитах. Малые дозы этого препарата могут применяться во время приема пищи для усиления эритропоэза при малокровии.
Серебро и золото
В организме взрослого человека обнаружива–ется около 1 мг серебра, т. е. примерно 10% (1 часть на миллион), и до 10 мг золота, т. е. примерно 10% (10 частей на миллион).
Антисептические свойства растворимых солей сереб–ра известны с древних времен. Священнослужители дав–но знали, что вода («святая») при хранении в серебряных сосудах долго не портится, т. е. не подвергается микроб–ному загрязнению. В настоящее время это свойство «се–ребряной» воды используется моряками в дальних пла–ваниях. Сильные токсические проявления у взрослого человека наблюдаются при приеме внутрь 7 г AgNO3.
В медицине издавна используются такие препараты, как кристаллический нитрат серебра AgN03 (ляпис) и его водные растворы. Давно известны также препараты кол–лоидного металлического серебра протаргол (8% Ag) и колларгол (70% Ag), которые представляют собой мелкодисперсные порошки с металлическим блеском. Каждая частица таких порошков представляет собой кристаллик восстановленного металлического серебра размером менее 1 мкм с белковой оболочкой из альбу–мина (протаргол) или коллагена (колларгол). Белковая оболочка защищает кристаллики серебра от слипания и обеспечивает их переход в водную среду (солюбилизирует).
Препараты серебра применяют как противовоспали–тельные, антисептические и вяжущие средства.
В качестве эффективных противовоспалительных средств применяют также препараты золота. Наиболее известны кризанол с 30%-ным содержанием благород–ного металла, и коллоидное золото.
45. Биологическая роль d-элементов IIB-группы. Применение их соединений в медицине
Цинк Zn, кадмий Cd, ртуть Hg – микроэлементы. В ор–ганизме взрослого человека содержится 1,8 г Zn, 50 мг Cd, 13 мг Hg.
Кадмий и ртуть – примесные элементы. Около 70% ртути сосредоточено в жировой и мышечной тканях. Кад–мий локализуется на 30% в почках, остальное – в печени, легких, поджелудочной железе.
Цинк – необходимый элемент всех растений и жи–вотных. В организме взрослого человека больше всего цинка в мышцах (65%) и костях (20%). Остальное коли–чество приходится на плазму крови, печень, эритроци–ты. Наибольшая концентрация цинка в предстательной железе.
Цинк не проявляет переменной валентности. Видимо, поэтому его биокомплексы принимают участие во мно–гих биохимических реакциях гидролиза, идущих без пе–реноса электронов. Ион Zn входит в состав более 40 металлоферментов, катализирующих гидролиз эфи-ров и белков.
Одним из наиболее изученных является бионеорга–нический комплекс цинка – фермент карбоангидраза (Мг = 30 000), состоящий примерно из 260 аминокис–лотных остатков.
Цинк не входит в состав дипептидаз – ферментов, катализирующих гидролиз дипептидов (веществ, со–стоящих из 2 аминокислот). Цинк образует бионеорга–нический комплекс с инсулином – гормоном, регули–рующим содержание сахара в крови. Потребность человека в цинке полностью удовлетворяется пищевы–ми продуктами: мясными, молочными, яйцами. При недостатке цинка в растениях нарушаются белко–вый и углеводный обмен, тормозится синтез хло–рофилла и витаминов. Дефицит цинка устраняется при использовании цинксодержащих удобрений. Токсич–ность соединений IIB-группы увеличивается от цинка к ртути. Водорастворимые соединения оказывают раз–дражающее действие на кожу, при попадании внутрь организма вызывают отравление. Токсичны и сами ме–таллы – при вдыхании паров цинка (воздуха цинковых производств) появляется «металлическая» лихорадка. Отравление парами ртути в Средние века получило наз–вание «болезнь сумасшедшего шляпочника». Содержа–ние ртути в пищевых продуктах (в морских, как в Япо–нии) приводит к болезни миномата. Токсичность ртути связана с агглютинацией (склеиванием, слипанием) эритроцитов, ингибированием ферментов. Например, сулема вызывает изменение размеров, осмотическую хрупкость и снижение деформируемости эритроцитов, которая необходима для их продвижения по капилля–рам. Токсичность кадмия связана с его сродством к нук–леиновым кислотам. В результате его присоединения к ДНК нарушается ее функционирование.
Хроническая интоксикация кадмием и ртутью может нарушить минерализацию костей. Токсичные элементы могут замещать кальций. Это приводит к образованию апатита несовершенной структуры вследствие искаже–ния параметров кристаллического компонента кост–ной ткани. В результате снижается прочность костей.
46. Токсические свойства соединений группы IIB (Zn, Cd, Hg)
Соединения Zn, Cd, Hg могут вызывать нарушение белкового обмена, что проявляется в выделении бел–ков плазмы через почки (в протеинурии).
Токсичное действие соединений группы IIB на орга–низм вызывается еще и тем, что ионы этих металлов вступают во взаимодействие с сульфгидрильными SH-группами белков, ферментов и аминокислот.
При взаимодействии ионов металлов с SH-группами образуются слабодиссоциирующие и, как правило, не–растворимые соединения. Поэтому блокирование сульфгидрильных групп приводит к подавлению ак–тивности ферментов и свертыванию белков. Ионы двух–валентных металлов блокируют одновременно две SH-группы. В реакциях подобного типа ионы металлов выступают акцептором, а сера – донором электронов.
Наиболее выражено химическое сродство SH-груп-пам у ртути. Очевидно, это связано с тем, что комплек-сообразующие свойства ртути выше и она образует бо–лее прочные связи с серой.
SH-группы входят в состав более 100 ферментов, ак–тивность которых может быть подавлена из-за блоки–рования этих групп. Поэтому очевидно, насколько важ–но знать механизм блокирования и методы лечения при отравлении организма металлами.
Известно, что токсические свойства элементов за–висят от той химической формы, в какой они попадают в организм. Наиболее токсичны те формы, которые раст–воряются в липидах и легко проникают через мембрану в клетку.
В литературе описан случай массового отравления ртутью в Японии. Неорганические соединения ртути под действием ферментов микроорганизмов превраща–лись в метилртуть. Метилртуть накапливалась в рыбе, а затем с пищей попадала в организм человека.
Постепенно концентрируясь, метилртуть вызы–вает необратимые разрушения в организме и смерть.
Использование соединений цинка и ртути в медици–не основано на их вяжущем, прижигающем и антисеп–тическом действии. В качестве глазных капель приме–няют 0,25%-ный водный раствор сульфата цинка ZnSО4. В стоматологии хлорид цинка используют для прижи–гания папиллом, для лечения воспаленных слизистых оболочек. Применяется также оксид цинка ZnO.
Хлорид ртути (II) (сулема) очень ядовит, и его водные растворы при больших разбавлениях (1 : 1000) приме–няются для дезинфекции. Для лечения кожных и вене–рических заболеваний применяют мази, содержащие оксид ртути (II) HgO и сульфид ртути (II) HgS. Хлорид ртути (I) (каломель) плохо растворяется в воде и поэто–му мало ядовит. Эту соль применяют в ветеринарии как слабительное средство.
Ртуть при обычных условиях – жидкий металл, кото–рый способен растворять другие металлы. При этом образуются твердые сплавы – амальгамы. В стомато–логии для пломбирования зубов издавна применяли амальгамы серебра и кадмия. Они химически инерт–ны, легко размягчаются при нагревании и поэтому лег–ко формуются.
Источники ультрафиолетового света – ртутно-квар-цевые лампы медицинского назначения – содержат га–зообразную ртуть (пары). При облучении светом этих ламп больничных помещений уничтожаются микроорга–низмы, содержащиеся в воздухе. С помощью ультрафио–летовых лучей лечат различные кожные заболевания.
Таким образом, по характеру функционирования и воз–действия на организм металлы IIB-группы можно разде–лить на жизненно необходимый элемент Zn и токсичные примесные элементы Cd и Hg.
47. Биологическая роль р-элементов IIIA-группы. Применение их соединений в медицине
Бор относится к примесным микроэлементам, его мас–совая доля в организме человека составляет 10-5 %. Бор концентрируется главным образом в легких (0,34 мг), щитовидной железе (0,30 мг), селезенке (0,26 мг), пече–ни, мозге (0,22 мг), почках, сердечной мышце (0,21 мг). Биологическое действие бора еще недостаточно изуче–но. Известно, что бор входит в состав зубов и костей, очевидно, в виде труднорастворимых солей борной кис–лоты с катионами металлов.
Избыток бора вреден для организма человека. Имеют–ся данные, что избыток бора угнетает амилазы, проте-иназы, уменьшает активность адреналина.
По содержанию в организме человека (10-5 %) алю–миний относится к примесным микроэлементам. Алю–миний концентрируется главным образом в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека.
Суточное потребление алюминия человеком состав–ляет 47 мг. Алюминий влияет на развитие эпителиаль–ной и соединительной тканей, на регенерацию костных тканей, влияет на обмен фосфора.
Алюминий оказывает воздействие на ферментатив–ные процессы.
Избыток алюминия в организме тормозит синтез ге–моглобина, так как благодаря довольно высокой комп-лексообразующей способности алюминий блокирует активные центры ферментов, участвующих в кроветво–рении. Имеются данные, что алюминий может катали–зировать реакцию трансаминирования.
Галлий – примесный микроэлемент (содержание в ор–ганизме человека 10−6—10−5%). Биологическая роль гал–лия в живых организмах почти не выяснена.
Таллий относится к весьма токсичным элемен–там. Ион Т1 склонен подобно Ag+ образовывать прочные соединения с серосодержащими лигандами.
Вследствие этого он очень токсичен, так как подав–ляет активность ферментов, содержащих тиогруппы – SH. Даже весьма незначительные количества соедине–ний Т1 + при попадании в организм вызывают выпадение волос.
Вследствие близости радиусов К+ и Т1+ они обла–дают сходными свойствами и способны замещать друг друга в ферментах. Ионы Т1 и К являются синергистами. Этим объясняется тот факт, что ферменты пиру-ваткиназа и диолдегидратаза активируются не только ионами К, но и ионами Т1 (ион Т1 замещает ион К в ка–талитическом центре ферментов). Синергизм тал–лия и калия проявляется и в том, что подобно ионам К ионы Т1 накапливаются в эритроцитах.
В качестве противоядия при отравлении ионами Т1 используют серосодержащий лиганд – аминокислоту цистин.
В заключение необходимо отметить, что биологи–ческая роль р-элементов IIIA-группы изучена недоста–точно. В настоящее время известно, что бор и галлий взаимодействуют в растениях с ингибиторами их раз–вития полифенолами, уменьшая токсичность послед–них. Установлена также несомненная роль алюминия в построении эпителиальной и соединительной тканей и, кроме того, его участие в ферментативных процес–сах как в качестве активатора, так и в качестве ингиби–тора. Свойством ингибировать многие серосодержа–щие ферменты обладает ион Т1.
Биологическая активность р-элементов IIIA-группы связана главным образом с их способностью к обра–зованию комплексных соединений с кислородсодер–жащими лигандами и нерастворимых фосфатов.
48. Биологическая роль р-элементов IVA-группы. Применение их соединений в медицине
По содержанию в организме человека (21,15%) угле–род относится к макроэлементам. Он входит в состав всех тканей и клеток в форме белков, жиров, углево–дов, витаминов, гормонов. С биологической точки зре–ния углерод является органогеном номер 1.
По содержанию в организме человека (103 %־) крем–ний относится к примесным микроэлементам. Больше всего кремния в печени, надпочечниках, волосах, хруста–лике. Так как природный диоксид кремния плохо раст–ворим в воде, то в организм человека он попадает не столько через пищеварительный тракт, сколько воз–душным путем через легкие в виде пылеобразного SiО2. С нарушением обмена кремния связывают возни–кновение гипертонии, ревматизма, язвы, малокровия.
В медицинской практике применяют карбид кремния (IV) SiC – карборунд для шлифовки пломб и пластмас–совых протезов. Диоксид кремния SiО2 входит в состав силикатных цементов.
Необходимо отметить, что пыль, состоящая из частиц угля, диоксида кремния и алюминия при систематиче–ском воздействии на легкие вызывает заболевание – пневмокониозы. При действии угольной пыли – это антракоз, профессиональное заболевание шахтеров. При вдыхании пыли, содержащей S1O2 , возникает си–ликоз, при действии алюминиевой пыли – алюминоз.
По содержанию в организме человека (10−6—10−5%) германий относится к микроэлементам. Биологиче–ская роль окончательно не выяснена. Соединения гер–мания усиливают процессы кроветворения в костном мозге. Известно также, что соединения германия мало–токсичны.
По содержанию в организме человека (10-4 %) олово относится к микроэлементам.
Олово попадает в организм человека с кислыми про–дуктами, консервированными в жестяных банках, покры–тых слоем олова. В кислой среде олово растворяется и в форме соли поступает в кровь, проявляя токсиче–ское действие. Однако в опытах на крысах установлено, что олово в малых количествах стимулирующе действует на рост крыс. Это дает основание предполагать его необхо–димость и для человека. Безусловно, выяснение биоло–гической роли этого микроэлемента требует дополни–тельного изучения.
В медицинской практике находят применение различ–ные материалы, в частности пломбировочные, содер–жащие олово. Так, олово входит в состав серебряной амальгамы (28%) для изготовления пломб.
Свинец и его соединения, особенно органические, весьма токсичны. Соединения свинца влияют на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Многие факторы говорят в пользу денатура-ционного механизма. Установлено, что свинец – один из элементов, присутствие которых в продуктах пита–ния влияет на развитие кариеса.
С пищей, водой, атмосферным воздухом человек ежесуточно поглощает до 100 мкг свинца. Свинец депо–нируется в основном в скелете (до 90%) в форме труд–норастворимого фосфата. Массовая доля свинца в ор–ганизме человека – 106 %־ . Безопасным для человека считают суточное поступление 0,2—2 мг свинца.
В медицинской практике нашли применение как наруж–ные вяжущие антисептические средства ацетат свинца (примочки) и оксид свинца (II) РЬО (входит в состав пластыря свинцового простого).
49. Биологическая роль р-элементов VA-группы. Применение их соединений в медицине (азот, фосфор)
Азот по содержанию в организме человека (3,1%) от–носится к макроэлементам. Если учитывать только мас–су сухого вещества организма (без воды), то в клетках содержание азота составляет 8—10%. Этот элемент – составная часть аминокислот, белков, витаминов, гормо–нов. Азот образует полярные связи с атомами водорода и углерода в биомолекулах. Во многих бионеорганиче–ских комплексах (металлоферментах) атомы азота по донорно-акцепторному механизму связывают неорга–ническую и органическую части молекулы.
Вместе с кислородом и углеродом азот образует жиз–ненно важные соединения – аминокислоты, содержа–щие одновременно аминогруппу с основными свойст–вами и карбоксильную группу (—СООН) с кислотными свойствами. Аминогруппа выполняет очень важную функцию и в молекулах нуклеиновых кислот. Огромно физиологическое значение азотсодержащих биолиган-дов – порфиринов, например гемоглобина.
В биосфере происходит круговорот азота. Азотный цикл имеет жизненно важное значение для сельского хозяйства.
Необходимо отметить еще одно важное в биологиче–ском плане свойство азота – его растворимость в воде почти такая же, как у кислорода. Присутствие избытка азота в крови может быть причиной развития кессон–ной болезни. При быстром подъеме водолазов проис–ходит резкое падение давления, соответственно пада–ет растворимость азота в крови (закон Генри), и пузырьки элементного азота, выходящие из крови, закупоривают мелкие сосуды, что может привести к параличу и смерти.
По содержанию в организме человека (0,95%) фосфор относится к макроэлементам. Фосфор – элемент-органоген и играет исключительно важную роль в обме–не веществ. В форме фосфата фосфор представ–ляет собой необходимый компонент внутриклеточной АТФ. Он входит в состав белков (0,5—0,6%), нуклеиновых кислот, нуклеотидов и других биологически активных соединений. Фосфор является основой скелета живот–ных и человека (кальций ортофосфат, гидроксилапа-тит), зубов (гидроксилапатит, фторапатит).
Многие реакции биосинтеза осуществляются благода–ря переносу фосфатных групп от высокоэнергетического акцептора к низкоэнергетическому. Фосфатная буфер–ная система является одной из основных буферных сис-тем крови. Живые организмы не могут обходиться без фосфора. Значение фосфора состоит и в том, что сахара и жирные кислоты не могут быть использованы клетками в качестве источников энергии без предвари–тельного фосфорилирования.
Обмен фосфора в организме тесно связан с обменом кальция. Это подтверждается уменьшением количества неорганического фосфора при увеличении содержания кальция в крови (антагонизм).
Суточная потребность человека в фосфоре составляет 1,3 г. Фосфор настолько распространен в пищевых про–дуктах, что случаи его явной недостаточности (фосфат–ный голод) практически неизвестны. Однако далеко не весь фосфор, содержащийся в пищевых продуктах, мо–жет всасываться, поскольку его всасывание зависит от многих факторов: рН, соотношения между содержанием кальция и фосфора в пище, наличия в пище жирных кис–лот, но в первую очередь – от содержания витамина D.
Целый ряд соединений фосфора используют в качест–ве лекарственных препаратов.
Следует отметить, что фосфорорганические соедине–ния, содержащие связь С—Р, являются сильными нер–вно-паралитическими ядами, входят в состав боевых отравляющих веществ
50. Биологическая роль р-элементов VA-группы (мышьяк, сурьма, висмут). Применение их в медицине
По содержанию в организме человека мышьяк отно–сится к микроэлементам. Он концентрируется в пече–ни, почках, селезенке, легких, костях, волосах. Больше всего мышьяка содержится в мозговой ткани и в мыш–цах. Мышьяк накапливается в костях и волосах и в те–чение нескольких лет не выводится из них полностью. Эта особенность используется в судебной экспертизе для выяснения вопроса, имело ли место отравление соединениями мышьяка.
Определение мышьяка в биологическом материале проводят в несложном приборе по реакции Марша: к био–объекту добавляют цинк и соляную кислоту. Выделяю–щийся при реакции водород восстанавливает любое сое–динение мышьяка до арсина.
Если выделяющийся водород содержит примесь ар-сина, то при нагревании газовой смеси происходит раз–ложение AsH3 :
2AsH3 = 2As° + 3Н2.
и на стенках трубки для газовыделения образуется черный блестящий налет мышьяка – «мышьяковое зер–кало». Реакция Марша весьма чувствительна и позво–ляет обнаружить 7—10-7 г мышьяка.
В относительно больших дозах соединения мышья–ка очень ядовиты. Как уже упоминалось, токсическое действие соединений мышьяка обусловлено блокиро–ванием сульфгидрильных групп ферментов и других биологически активных веществ.
По содержанию в организме человека (10%) сурьма и висмут относятся к микроэлементам. По классифика–ции В. В. Ковальского сурьму и висмут относят к той груп–50б пе микроэлементов, которые постоянно находятся в живых организмах, но физиологическая и био–химическая роль которых практически не выяснена.
Физиологическая роль сурьмы, очевидно, подобна мышьяку. Ионы мышьяка As и сурьмы Sb и в меньшей степени висмут Bi являются синергистами. Так, извест–но, что в биогеохимических провинциях с избытком мышьяка в организмах увеличивается содержание не только мышьяка, но и сурьмы. При этом оба элемента накапливаются в щитовидной железе жителей, угнетают ее функцию и вызывают эндемический зоб. Синергизм мышьяка и сурьмы связан с их способностью к образо–ванию соединений с серосодержащими лигандами. Висмут же более склонен связываться с лигандами, со–держащими аминогруппы. Так, попадание растворимых соединений висмута в организм приводит к угнетению ферментов амино– и карбоксиполипептидазы.
Поступление внутрь организма водорастворимых соединений сурьмы, например стибина SbH3 , оказывает токсический эффект подобно соединениям мышьяка. Токсичны и соединения висмута при инъекции. Напри–мер, для собак смертельная доза составляет 6 мг/кг массы. Однако при попадании большинства соединений сурьмы и висмута в пищеварительный тракт они практи–чески не оказывают ядовитого действия. Слабая токсич–ность этих соединений обусловлена тем, что соли Sb (III), Bi (III) в пищеварительном тракте подвергаются гидро–лизу с образованием малорастворимых продуктов, которые не всасываются в стенки желудочно-кишеч–ного тракта.
На этом основано применение лекарственных пре–паратов сурьмы и висмута, например, нитрата висмута основного.
51. Биологическая роль р-элементов VIA-группы. Применение их соединений в медицине
По содержанию в организме человека (62%) кислород относится к макроэлементам. Он незаменим и относит–ся к числу важнейших элементов, составляющих основу живых систем, т. е. является органогеном. Кислород вхо–дит в состав огромного числа молекул, начиная от про–стейших и кончая биополимерами. Велика роль кислоро–да в процессах жизнедеятельности, так как окисление кис-лородом питательных веществ (углеводов, белков, жиров) служит источником энергии, необходимой для ра–боты органов и тканей живых организмов. Большинство окислительно-восстановительных реакций в организме протекает при участии кислорода и его активных форм.
Фагоцитарные (защитные) функции организма также связаны с наличием кислорода, и уменьшение содер–жания кислорода в организме понижает его защитные свойства. В фагоцитах (клетках, способных захваты–вать и переваривать посторонние тела) кислород 02 восстанавливается до супероксид-иона.
В медицинской практике кислород применяют для вды–хания при болезненных состояниях, сопровождающихся кислородной недостаточностью (гипоксией), заболева–ниях дыхательных путей, сердечно-сосудистой системы, отравлениях оксидом углерода (II) СО, синильной кис-лотой HCN, а также при заболеваниях с наруше–ниями функций дыхания.
Широко используется в клинической практике гипер–барическая оксигенация – применение кислорода под повышенным давлением.
Аллотропную модификацию кислорода – озон О3 как очень сильный окислитель используют для дезинфек–ции помещений, обеззараживания воздуха и очистки питьевой воды.
По содержанию в организме человека (0,16%) сера относится к макроэлементам. Как и кисло–род, она жизненно необходима. Суточная потребность взрослого человека в сере – около 4—5 г. Сера входит в состав многих биомолекул – белков, аминокислот (цистина, цистеина, метионина и др.), гормонов (инсу–лина), витаминов (витамин B1 ). Много серы содержит–ся в каротине волос, костях, нервной ткани.
В живых организмах сера, входящая в состав амино–кислот, окисляется. Конечными продуктами этого про–цесса преимущественно являются сульфаты. Кроме того, образуются тиосульфаты, цементная сера и политионовые кислоты.
По содержанию в организме (10−5—10−7%) селен от–носится к микроэлементам. Некоторые исследовате–ли относят его к жизненно необходимым элементам.
Селен поступает с пищей – 55—110 мг в год. Селен в основном концентрируется в печени и почках. Кон–центрация селена в крови составляет 0,001—0,004 ммоль/л.
Несомненна связь селена с серой в живых организ–мах. При больших дозах селен в первую очередь накап–ливается в ногтях и волосах, основу которых состав–ляют серосодержащие аминокислоты.
Известна и способность селена предохранять организм от отравления ртутью Hg и кадмием Cd. Селен способст–вует связыванию этих токсичных металлов с другими ак–тивными центрами, с теми, на которые их токсическое действие не влияет. Интересен факт взаимосвязи меж–ду высоким содержанием селена в рационе и низкой смертностью от рака.
В больших дозах селен токсичен. Распад соединений селена в организме животных приводит к выделению высокотоксичного диметилселена, имеющего чесноч–ный запах.
52. Биологическая роль р-элементов VIIA-группы. Применение их соединений в медицине (фтор и хлор)
По содержанию в организме человека хлор (0,15%) относится к макроэлементам, в то время как осталь–ные элементы этой группы являются микроэлемента–ми (содержание – 10-5 %). Галогены в виде различных соединений входят в состав тканей человека и живот–ных. Хлор и йод относятся к незаменимым элементам, а остальные являются постоянными составными частями тканей.
Масса фтора в организме человека – около 7 мг (
10-5 %). Соединения фтора концентрируются в кост–ной ткани, ногтях, зубах. В состав зубов входит около 0,01% фтора, причем большая часть приходится на эмаль, что связано с присутствием в ней труднорастворимого фтор-апатита. Недостаток фтора в организме приводит к кариесу зубов.
Интерес к биологическому действию фтора связан прежде всего с проблемой зубных болезней, так как фтор предохраняет зубы от кариеса. Минеральную основу зубных тканей (дентина) составляют гидрокси-лапатит, хлорапатит и фторапатит. Очень часто разру–шению подвергается не внешняя поверхность зуба, покрытая слоем эмали, а внутренние участки дентина, обнаженные при повреждении эмали. Имеются пред–положения, что пока эмаль повреждена незначительно, введение фторида натрия способствует образованию фторапатита, облегчая реминерализацию начавшегося повреждения.
Фторид натрия NaF употребляют в медицинской практике в качестве местнодействующего наружного средства. Применение NaF основано на образовании фторапатита. При этом происходит одновременно и подщелачивание среды ротовой полости, что спо–собствует нейтрализации кислот, вырабатываемых бактериями.
Вреден не только недостаток, но и избыток фто–ра. При содержании фтора в питьевой воде выше предельно допустимой нормы (1,2 мг/л) зубная эмаль становится хрупкой, легко разрушается, и появляются другие симптомы хронического отравления фтором – повышение хрупкости костей, костные деформации и общее истощение организма. Возникающее в этом случае заболевание называется флуорозом (фторозом).
В организме человека содержится около 100 г (2790 ммоль) хлора. Хлорид-ионы играют важную биологи–ческую роль. Они активируют некоторые ферменты, создают благоприятную среду для действия протоли-тических ферментов желудочного сока, обеспечивают ионные потоки через клеточные мембраны, участвуют в поддержании осмотического равновесия.
Хлорид-ион имеет оптимальный радиус для проникно–вения через мембрану клеток. Именно этим объясняется его совместное участие с ионами Na и K в создании определенного осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Суточная потребность в натрия хлориде составляет 5—10 г. Как уже рассматривалось, NaCl необходим для выработки соляной кислоты в же–лудке. Помимо важной роли соляной кислоты в процес–се пищеварения, она уничтожает различные болезне–творные бактерии (холеры, тифа).
Если в желудок с большим количеством воды попа–дают бактерии, то вследствие разбавления HCl не оказы–вает антибактериального действия, и бактерии выжи–вают. Это приводит к заболеванию организма. Поэтому во время эпидемий особенно опасна сырая вода. При не–достаточном количестве соляной кислоты в желудке по–вышается рН и нарушается нормальное пищеварение, что тяжело отражается на здоровье человека. При пони–женной кислотности желудочного сока в медицинской практике используют разбавленный раствор соляной кислоты. При воспалении желудка (гастрите), язвенной болезни секреция желудочного сока увеличивается, повышается его кислотность.
53. Биологическая роль р-элементов VIIA-группы. Применение их соединений в медицине (бром, йод)
Масса брома в организме человека ־ около 7 мг. Он ло–кализуется преимущественно в железах внутренней сек–реции, в первую очередь в гипофизе. Биологическая роль соединений брома в нормальной жизнедеятельности ор–ганизма еще недостаточно выяснена. Соединения брома угнетают функцию щитовидной железы и усиливают ак–тивность коры надпочечников. При введении в организм бромид-ионов наиболее чувствительной оказывается центральная нервная система. Бромид-ионы равномерно накапливаются в различных отделах мозга и действуют ус–покаивающе при повышенной возбудимости. Они спо–собствуют восстановлению нарушенного равновесия между процессами возбуждения и торможения.
Бромид-ионы легко всасываются в желудочно-кишеч–ном тракте. Токсичность бромид-ионов невысока. Вслед–ствие медленного выведения из организма (в течение 30—60 суток) они могут накапливаться (кумулировать), что приводит к развитию хронического отравления, кото–рое называется бромизмом. При проявлении признаков хронического отравления бромом немедленно прекра–щают прием бромидных препаратов. Кроме того, вводят большое количество хлорида натрия (до 25 г в сутки), что–бы увеличить скорость выделения бромид-ионов (прин–цип Ле Шателье), и назначают обильное питье. В связи с различной индивидуальной чувствительностью дозиров–ка препаратов брома меняется в пределах от 0,05 до 2,0 г.
Йод относится к числу незаменимых биогенных элементов и его соединения играют важную роль в про–цессах обмена веществ. Йод влияет на синтез некото–рых белков, жиров, гормонов. В организме человека содержится около 25 мг йода. Из общего количест–ва йода в организме больше половины находится в щитовидной железе. Почти весь йод, содержащийся в этой железе, находится в связанном состоянии (в ви–де гормонов) и только около 1% его находится в виде иодид-иона. Щитовидная железа способна концент–рировать I— в 25 раз – по сравнению с содержанием его в плазме. Щитовидная железа секретирует гормо–ны тироксин и трийодтиронин.
Пониженная активность щитовидной железы (гипоти–реоз) может быть связана с уменьшением ее способно–сти накапливать йодид—ионы, а также с недостатком в пище йода (эндемический зоб). При эндемическом зобе назначают препараты йода: (йодид калия KI или йодид натрия NaI) в дозах, соответствующих суточной потребности человека в йоде (0,001 г калия иодида). В районах, где имеется дефицит йода, для профилакти–ки эндемического зоба добавляют к поваренной соли NaI или К! (1—2,5 г на 100 кг). При повышенной актив–ности щитовидной железы (гипертиреоз) вследствие из–быточного синтеза тиреоидных гормонов наблюдается ненормально увеличенная скорость метаболических процессов.
При неэффективности указанных препаратов для ле–чения гипертиреоза применяют препарат радиоактив–ного йода 131 I, излучение которого разрушает фолликулы щитовидной железы и уменьшает тем самым избыточ–ный синтез гормонов. Все р-элементы VIIA-группы физио–логически активны, а хлор и йод незаменимы для жизне–деятельности организма. Фтор считают элементом, необ-ходимым для нормального функционирования живых организмов.
В организме галогены взаимозамещаемы, при этом наблюдаются случаи как синергизма, так и антагонизма.
54. Аэрозоли
Аэрозолями называются дисперсные системы с га–зообразной дисперсионной средой.
В зависимости от агрегатного состояния диспер–сной фазы различают туманы – аэрозоли с жидкой дисперсной фазой; дымы, пыли – аэрозоли с твер–дой дисперсной фазой; смоги – аэрозоли со смешан–ной дисперсной фазой.
Размеры частиц дисперсной фазы аэрозолей в соот–ветствии с классификацией дисперсных систем колеб–лются в пределах от 10-7 до 10-9 м.
Как и другие дисперсные системы, аэрозоли полу–чают двумя методами: конденсационными и диспер-гационными.
Конденсационный метод
Дисперсную фазу получают из парообразной путем физического процесса конденсации молекул до частиц коллоидного размера.
Диспергационные методы
Частицы коллоидных размеров получают измельче–нием более крупных агрегатов.
Аэрозоли обладают способностью рассеивать свет. У частиц дисперсной фазы аэрозолей отсутствует двойной электрический слой, однако частицы диспер–сной фазы очень часто несут электрический заряд. За–ряд возникает в результате трения или вследствие ад–сорбции ионов газа. Необходимо отметить, что очень часто частицы аэрозоля (мелкие и крупные) несут за–ряд противоположного знака. Разделение частиц по размерам в больших объемах аэрозолей по высоте мо–жет привести к возникновению электрического поля боль–шой напряженности. Таким образом, в облаках возни–кает электрический разряд – молния.
Аэрозоли – кинетически и агрегативно-не-устойчивые системы, так как на границе раздела фаз отсутствует двойной электрический слой. Поэтому аэрозоли коагулируют с большей скоростью, чем лио-золи.
В медицине аэрозоли применяются в ингаляционной терапии, для защиты поврежденных кожных покровов, дезинфекции.
Иногда образование аэрозолей крайне нежелательно. Опасные для здоровья людей аэрозоли образуются в ли–тейном, керамическом производствах, при добыче и пе–реработке различных полезных ископаемых (руды, угля, асбеста и др.). Аэрозоли, содержащие частицы угля, вы–зывают заболевание легких – антракоз, кремния (IV) ок–сида – силикоз, асбеста – асбестоз. Аллергические за–болевания вызываются аэрозолями, образованными цветочной пыльцой растений, пылью, образующейся при переработке хлопка, льна, конопли и т. д. Взвеси бактерий, плесений и вирусов – микробиологические или бактериальные аэрозоли – являются одним из путей передачи инфекционных болезней: туберкулеза легких, гриппа, острых респираторных заболеваний. Вредное воздейст-вие на человеческий организм оказывают аэрозоли, образующиеся при сгорании топлива, дис–персная фаза которых состоит из сажи, смол, золы, кан–церогенных углеводородов. Особенно опасны для здо–ровья смоги.
Поэтому борьба с запыленностью и загрязненностью атмосферы приобретает все большее значение. Очист–ка воздуха от аэрозолей достигается введением безот–ходных технологий – улавливанием частиц дисперсной фазы с использованием фильтров, циклонов (центро–бежных пылеуловителей), электрического поля высоко–го напряжения.
55. Эмульсии
Эмульсиями называются микрогетерогенные систе–мы, у которых дисперсная фаза и дисперсионная сре–да представляют собой несмешивающиеся жидкости.
Размеры частиц дисперсной фазы – капелек жид–кости – находятся в пределах от 10-4 до 10-6 м.
В зависимости от концентрации дисперсной фазы раз–личают эмульсии: разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.
В зависимости от природы дисперсной фазы и дис–персионной среды различают:
1) эмульсии неполярной жидкости (ДФ) в полярной (ДС) – прямые эмульсии, называемые эмульсиями первого рода или эмульсиями типа «масло/вода» (М/В);
2) эмульсии полярной жидкости (ДФ) в неполярной (ДС) – обратные эмульсии, называемые эмульсиями второго рода или эмульсиями типа «вода/масло» (В/М).
Здесь ДФ и ДС – дисперсная фаза и дисперсионная среда соответственно, «вода» – любая полярная жид–кость, «масло» – неполярная.
Тип эмульсии можно установить:
1) измерением электрической проводимости;
2) смешением с избытком полярной или неполярной жидкости;
3) окрашиванием водорастворимыми или маслора-створимыми красителями;
4) по смачиванию и растеканию капли эмульсии на гидрофобной или гидрофильной поверхности. Эмульсии, как и другие дисперсные системы, можно
получить методами конденсации и диспергирования.
Эмульсии как грубые дисперсии – кинетически и аг-регативно-неустойчивые системы. При столкновении капель дисперсной фазы происходит их слияние (коа-лесценция). В результате коалесценции эмульсия рас–слаивается на две непрерывные жидкие фазы.
Для повышения устойчивости эмульсий исполь–зуют стабилизаторы – эмульгаторы. Это ПАВ, ко–торые в результате адсорбции на границе раздела фаз снижают величину межфазного натяжения и обра–зуют механически прочную адсорбционную пленку. Если эмульгатор – ионогенное ПАВ, то он сообщает капелькам дисперсной фазы электрический заряд оди–накового знака, и капельки отталкиваются.
Тип образующейся эмульсии зависит от свойств эмульгатора. Дисперсионной средой всегда оказывает–ся та жидкость, которая лучше растворяет или смачи–вает эмульгатор. В качестве эмульгаторов используют соли высших жирных кислот, сложные эфиры высших жирных кислот и многоатомных спиртов, длинноцепо-чечные амины.
Эмульсии широко встречаются в природе. Эмульсия–ми являются молоко, сливки, сметана, сливочное масло, яичный желток, млечный сок растений, сырая нефть.
Эмульсии, содержащие лекарственные вещества, широко применяются в медицине: первого рода (М/В) для внутреннего применения, второго рода (В/М) – для наружного.
Известно, что растительные и животные жиры лучше усваиваются организмом в эмульгированном виде (мо–локо). В качестве эмульгаторов в этом случае выступают производные холевой и дезоксихолевой кислоты.
Иногда возникает потребность разрушить образо–вавшуюся эмульсию. Разрушение эмульсии называют деэмульгированием. Деэмульгирование проводят повышением и понижением температуры, воздей–ствием электрического поля, центрифугированием, добавлением электролитов и особых веществ – де-эмульгаторов. Деэмульгаторы представляют собой ПАВ с большей поверхностной активностью, чем эмульга–торы, но не обладающие способностью образовывать механически прочный адсорбционный слой.
56. Коллоидные ПАВ
Коллоидными ПАВ называются вещества, которые с одним и тем же растворителем в зависимости от усло–вий образуют истинный и коллоидный раствор.
Как было уже сказано, молекулы ПАВ дифильны. Они состоят из неполярных и полярных группировок. У непо–лярных радикалов, например, углеводородных цепей, от–сутствует сродство к полярному растворителю – воде, у полярных групп оно достаточно велико. Между неполяр–ными группами существует гидрофобное (вандер-вааль-сово) взаимодействие. При длине цепи приблизительно в 10-22 углеродных атома за счет гидрофобных взаимо–действий углеводородных радикалов и сильного взаимо–действия полярных групп с водой происходит ассоциа–ция молекул ПАВ и образуются мицеллы.
Минимальная концентрация коллоидного ПАВ, начиная с которой в его растворе происходит об–разование мицелл, получила название критиче–ской концентрации мицеллообразования (ККМ).
Форма образующихся мицелл зависит от концентра–ции раствора. При небольших концентрациях коллоидно–го ПАВ образуются сферические мицеллы. Повышение концентрации раствора коллоидного ПАВ приводит сна–чала к росту их числа, а затем и к изменению формы. При более высоких концентрациях вместо сферических мицелл образуются цилиндрические и пластинчатые.
Значение ККМ зависит от различных факторов: приро–ды коллоидного ПАВ, температуры и присутствия при–месей посторонних веществ, особенно электролитов.
ККМ можно определить по свойствам раствора, завися–щим от числа и размеров кинетически активных частиц, в частности по изменениям осмотического давления, по–верхностного натяжения, электрической проводимости, оптических характеристик. Так как при переходе «ис–тинный раствор – коллоидный раствор» изменяет–ся размер кинетически активных частиц (ионов, молекул, мицелл) и их число, то на графике «свойст–во – концентрация» появляется точка излома, отвечаю–щая ККМ.
Одним из важнейших свойств растворов коллоидных ПАВ, из-за которого они находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и в меди–цине, является солюбилизация. Механизм солюбили-зации заключается в растворении неполярных ве–ществ в гидрофобном ядре мицелл.
Явление солюбилизации широко используется в раз–личных отраслях народного хозяйства: в пищевой про–мышленности, в фармацевтической (для получения жидких форм лекарственных веществ). В системе «во–да – фосфолипид» при встряхивании, перемешивании образуются сферические мицеллы – липосомы. Моле–кулы фосфолипидов образуют в липосомах бислойную мембрану, в которой полярные группы обращены к во–де, а неполярные друг к другу. Липосомы можно рас–сматривать как модель биологических мембран. С их помощью можно изучать проницаемость мембран и влияние на нее разного рода факторов для различных соединений.
Липосомы широко используются для направленной доставки лекарственных веществ к тем или иным орга–нам или зонам поражения. С помощью липосом можно транспортировать лекарственные вещества внутрь клеток. Липосомальные мембраны используются в им–мунологических исследованиях при изучении взаимо–действия между антителами и антигенами. |
|
|
Скачать 0.6 Mb.