I. Общая характеристика биоэлементов Классификация и топография элементов
 Скачать 0.59 Mb.
|
|
Раздел I. Общая характеристика биоэлементов 1. Классификация и топография элементов Химические элементы, необходимые для построения органов и тканей и жизнедеятельности живых организмов, называются биоэлементами или биогенными. Биоэлементы классифицируются по двум основным группам. Первая группа – органогены, они составляют основу всех живых систем. К ним относятся 6 элементов: C, H, O, N, P, S. Их доля в организме составляет 97,4%. Вторая группа – жизненно необходимые (эссенциальные) элементы – это биометаллы (металлы жизни) – Na, K, Ca, Mg, Cu, Fe, Co, Zn, Mn, Mo, V, а также неметаллы Cl, I. Основное их назначение – осуществлять жизненные процессы в живых организмах. По количественному содержанию биоэлементы делятся на макроэлементы, микроэлементы и примесные. Содержание макроэлементов в организме выше 10-2%. К ним относятся: O, C, H, N, Ca, S, P, K, Mg, Fe, Na, Cl, Zn. Содержание микроэлементов в организме составляет 10-3-10-5%. К этим элементам относятся I, Cu, Mn, Mo, Co, V, B, F, Br, Ba. Примесные элементы (ультрамикроэлементы) – элементы, которые постоянно содержатся в организме человека и животных в очень малых количествах, меньших 10-5%. К ним относятся Al, As, Sb, Be, Si, Li, Sn, Cr, Pb, Cd, Ni, Ag, Hg, Sr, Se и др. Топография элементов в организме чрезвычайно многообразна. Органы и ткани человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Некоторые элементы могут концентрироваться в больших количествах в определенных органах. Например, Zn – в поджелудочной железе, I – в щитовидной, F – в эмали зубов; Al, As, V – в волосах и ногтях; Cd, Hg, Mo- в почках; Ba – в пигментной сетчатке глаза; Br, Mn, Cr – в гипофизе и т.д. Макроэлементы С, H, O, N, S, P – входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений, Кроме того, Н и О являются составными частями воды, на долю которой приходится 65% от массы организма взрослого человека. C, H и O входят в состав углеводов и жиров. Ca концентрируется в костной ткани в виде Ca3(PO4)2 и в основном содержится в неклеточных жидкостях, а K и Mg – во внутриклеточных. Большую долю вещества живых организмов составляют элементы, которые имеют довольно высокую распространенность в биосфере и земной коре (O, H, K, Ca, Mg, Na и др). Однако есть исключения (Si, Al – много в земной коре и микроколичества в живых организмах). 2. Взаимосвязь между электронным строением, биологической ролью элементов и их токсичностью Количественное содержание и биологическая роль химических элементов обратно пропорциональна их порядковым номерам. Поэтому основу организма человека составляют элементы первых четырех периодов Периодической системы. В основном это р-элементы (C, O, N, P, S, Cl) и s-элементы (H, Na, K, Ca, Mg). Большинство металлов жизни – d-элементы 4 периода (Fe, Co, Cu, Mn, Zn, V). Исключением являются d-элемент Mo и р-элемент I, которые расположены в 5 периоде. Большинство элементов 5, 6 и 7 периодов чужеродны и очень токсичны для организма (Hg, Ag, Cd, Sr, Ba, Tl, Pb, Sn). Существует прямая зависимость между величиной радиуса и токсичностью: чем больше эффективный радиус, тем более токсичен элемент (Hg, Tl, Pb), однако есть исключение (Be, As). 3. Роль биогенных элементов в организме Основу живых систем составляют элементы-органогены (С, Н, O, N, P, S). Органогеном номер один является углерод (содержание в организме 21,15%). Как основа структуры всех органических веществ, О и Н являются носителями окислительных и восстановительных свойств органических соединений. Соотношение О и Н в биомолекулах определяет тенденцию этих соединений к диспропорционированию и взаимодействию их с водой – внутренней средой живых организмов. Остальные три органогена – N, P, S – являются активными центрами ферментов и входят в состав белков – основы жизни. Для органогенов характерно образование растворимых в воде соединений, что способствует их концентрированию в живых организмах. Характерным для органогенов, а также для некоторых биометаллов (Fe, Mg и др.) является исключительное разнообразие образуемых ими связей. Это в значительной мере определяет разнообразие биомолекул в живых организмах. Второй группой после органогенов являются металлы жизни (Na, K, Ca, Mg, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, Mn, V) и два неметалла (Cl и I). Они постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов. Их задача осуществлять жизненные процессы в организме. Однако, некоторые из них используются организмом как структурная основа тканей, например, Ca, Mg – структурная основа костной ткани. Дефицит жизненно необходимых элементов приводит к серьезным нарушениям жизненных процессов. Примесные элементы – это элементы, постоянно содержащиеся в организме человека и животных в очень малых количествах. Биологическая роль их недостаточно выяснена или неизвестна. Биологическая роль химических элементов в организме чрезвычайно многообразна. Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного, и кислотно-основного гомеостаза. Микроэлементы участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевого дыхания, обезвреживания токсических веществ, активно влияют на процессы кроветворения, окисления-восстановления и др. Если происходит замещение одних ионов химических элементов другими с усилением их активности, то такое явление называется синергизмом, а с угнетением активности – антагонизмом (например, для Na – Li является синергистом, а K – антагонистом). Биогенные элементы играют важную роль в жизни растений. Поэтому они нашли широкое применение в сельском хозяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микроэлементов (B, Cu, Mg, Zn, Co, Mo) резко повышает урожайность многих культур. Микроэлементы, увеличивая активность ферментов в растениях, способствуют синтезу белков, витаминов, нуклеиновых кислот, углеводов. Некоторые элементы положительно действуют на фотосинтез, ускоренный рост и развитие растений, созревание семян. Микроэлементы добавляют в корм животных, чтобы повысить их продуктивность. 4. Токсикологическая роль элементов и их неорганических соединений Токсичными в основном являются элементы с высокой величиной эффективного радиуса (Hg, Cd, Ag, Pb, Ba, Be, Ti и др.). Их токсическое действие связано с тем, что они образуют прочные комплексы с сульфгидрильными (тиоловыми) SH–группами белков: R–S–H + Hg2+ + R–S–H ® R–S–Hg–S–R + 2H+ Большинство микроэлементов в норме характеризуется высоким биологическим значением для жизнедеятельности организма, однако при избыточном содержании они вредны и даже токсичны. 5. Применение неорганических соединений в медицине и фармации В медицине и фармации применяются многие химические элементы как в свободном состоянии, так и в виде различных неорганических соединений. В виде простых веществ используются некоторые металлы (Fe, Cr, Mn, Cu, Ni, Ag, Au) для изготовления медицинского инструментария, оборудования, для зубопротезировании. Ряд простых веществ (O2, O3, C, S) используются как лекарственные средства. Многие неорганические соединения применяют как лекарственные препараты, некоторые из них являются фармакопейными. В их состав входят как жизненно важные биогенные элементы, так и токсичные элементы. Для лекарственных препаратов очень важна дозировка: многие из них в малых дозах являются лекарством, а в больших – ядом для организма. Неорганические соединения широко используются в анализе лекарственных веществ как реактивы, в качестве диагностических средств, в зубопротезной практике, а также как вспомогательные вещества в фармацевтической технологии. Таким образом, изучение биологической роли, выяснение химических основ лечебного и токсического действия неорганических соединений Периодической системы необходимое условие для формирования начальных основ профессиональных компетенций. |