Неметали як мікроелементи.
Ми приділили велику увагу ролі металів. Однак необхідно враховувати, що деякі неметали також абсолютно необхідні для функціонування організму.
КРЕМНІЙ
Кремній також є необхідним мікроелементом. Це було підтверджено ретельним вивченням харчування щурів з використанням різних дієт. Щури помітно додали у вазі при додаванні метасилікату натрію. (Na2(SiO)3 . 9H2O)у їхній раціон (50мг на 100г). курчатам і щурам кремній потрібен для зростання та розвиток скелета. Нестача кремнію призводить до порушення структури кісток та сполучної тканини. Як з'ясувалося, кремній присутній у тих ділянках кістки, де відбувається активна кальцинація, наприклад, у кістках утворюючих клітинах, остеобластах. З віком концентрація кремнію у клітинах падає.
Про те, в яких процесах бере участь кремній у живих системах, відомо мало. Там він знаходиться у вигляді крем'яної кислоти і, напевно, бере участь у реакціях зшивання вуглецю. У людини найбагатшим джерелом кремнію виявилася гіалуронова кислота пуповини. Вона містить 1,53мгвільного та 0,36мгпов'язаного кремнію на один грам.
СЕЛЕН
Недолік селену спричиняє загибель клітин м'язів і призводить до м'язової, зокрема серцевої, недостатності. Біохімічне вивчення цих станів призвело до відкриття ферменту глутатіонпероксидази, що руйнує пероксиди. Здатність селену оберігати від отруєння ртуттю добре відома. Набагато менш відомий той факт, що існує кореляція між високим вмістом селену в раціоні та низькою смертністю від раку. Селен входить у раціон людини у кількості 55 110мгна рік, а концентрація селену у крові становить 0,09 0,29мкг/см. При прийомі всередину селен концентрується в печінці та нирках. Ще один приклад захисної дії селену від інтоксикації легкими металами є його здатність запобігати отруєнню сполуками кадмію. Виявилося, що як і у випадку з ртуттю, селен змушує ці токсичні іони зв'язуватися з іонними активними центрами, з тими, на яке їхня токсична дія не впливає.
МИШ'ЯК
Незважаючи на добре відомі токсичні дії миш'яку та його сполук, є достовірні дані згідно з якими недолік миш'яку призводить до зниження народжуваності та пригнічення росту, а додавання в їжу арсеніту натрію призвело до збільшення швидкості росту у людини.
ХЛОР і БРІМ
Аніони галогенів відрізняються від усіх тим, що вони є простими, а не оксо аніонами. Хлор поширений надзвичайно широко, він здатний проходити крізь мембрану і відіграє важливу роль у підтримці осмотичної рівноваги. Хлор є у вигляді соляної кислоти в шлунковому соку. Концентрація соляної кислоти у шлунковому соку людини дорівнює 0,4-0,5%. Щодо ролі брому як мікроелемента існують деякі сумніви, хоча достовірно відома його седативна дія.
ФТОР
Для нормального зростання фтор необхідний, і його недолік призводить до анемії. Велику увагу було приділено метаболізму фтору у зв'язку з проблемою карієсу зубів, оскільки фтор оберігає зуби від карієсу. Карієс зубів вивчений досить докладно. Він починається з утворення на поверхні зуба плями. Кислоти, що виробляються бактеріями, розчиняють під плямою зубну емаль, але, як не дивно, не з її поверхні. Часто верхня поверхня залишається непошкодженою доти, доки ділянки під нею не виявляться повністю зруйнованими. Передбачається, що на цій стадії фторид іон може полегшувати утворення апатиту. Таким чином відбувається ремінелізація пошкодження, що почалося.
Фтор використовують для запобігання руйнуванням зубної емалі. Можна вводити фториди в зубну пасту або безпосередньо обробляти ними зуби. Концентрація фтору, необхідна для запобігання карієсу, становить у питній воді близько 1мг/лАле рівень споживання залежить не тільки від цього. Використання високих концентрацій фторидів (більше 8мг/л)може несприятливо вплинути на тонкі рівноважні процеси утворення кісткової тканини. Надмірне поглинання фторидів призводить до фторозу. Фтороз призводить до порушень у роботі щитовидної залози, пригнічення росту та ураження нирок. Тривале вплив фтору на організм призводить до мінералізації тіла. У результаті деформуються кістки, які навіть можуть зрости, і відбувається кальцифікація зв'язок.
ЙОД
Основною фізіологічною роль йоду є участь у метаболізмі щитовидної залози та властивих їй гормонах. Здатність щитовидної залози акумулювати йод властива також слинним та молочним залозам. А також деяким іншим органам. В даний час вважають, що провідну роль йод грає тільки в житті діяльності щитовидної залози.
Нестача йоду призводить до виникнення характерних симптомів: слабкості, пожовтіння шкіри, відчуття холоду та сухості. Лікування тиреоїдними гормонами чи йодом усуває ці симптоми. Нестача тереоїдних гормонів може призвести до збільшення щитовидної залози. У поодиноких випадках (обтяження в організмі різних сполук, що заважають поглинанню йоду, наприклад, тіоціанату або антитиреоїдного агента гоітрину, наявного в різних видах капусти) утворюється зоб. Недолік йоду особливо сильно відбивається на здоров'я дітей, вони відстають у фізичному та розумовому розвитку. Йод дефіцитна дієта під час вагітності призводить до народження гіпотироїдних дітей (кретинів).
Надлишок гормонів щитовидної залози призводить до виснаження, нервозності, тремору, втрати ваги та підвищеної пітливості. Це пов'язано із збільшенням пероксидазної активності і внаслідок цього із збільшенням йодування тиреоглобулінів. Надлишок гормонів може бути наслідком пухлини щитовидної залози. При лікуванні використовують радіоактивні ізотопи йоду, які легко засвоюються клітинами щитовидної залози.
Неметали― хімічні елементи, які утворюють прості тіла, що не мають властивостей, характерних для металів. Якісною характеристикою неметалів є електронегативність.
Електронегативність― це здатність поляризувати хімічний зв'язок, відтягувати до себе загальні електронні пари.
До неметалів відносять 22 елементи.
1-й період
3-й період
4-й період
5-й період
6-й період
Як видно з таблиці, неметалеві елементи переважно розташовані у правій верхній частині періодичної системи.
Будова атомів неметалів
Характерною особливістю неметалів є більше (порівняно з металами) електронів на зовнішньому енергетичному рівні їх атомів. Це визначає їх велику здатність до приєднання додаткових електронів та прояву вищої окисної активності, ніж у металів. Особливо сильні окислювальні властивості, тобто здатність приєднувати електрони, виявляють неметали, що перебувають у 2- та 3-му періодах VI-VII груп. Якщо порівняти розташування електронів по орбіталям в атомах фтору, хлору та інших галогенів, можна судити про їх відмінні властивості. Атом фтору вільних орбіталей немає. Тому атоми фтору можуть проявити тільки І і ступінь окислення ― 1. Найсильнішим окислювачем є фтор. В атомах інших галогенів, наприклад, в атомі хлору, на тому ж енергетичному рівні є вільні d-орбіталі. Завдяки цьому розпарювання електронів може статися трьома різними шляхами. У першому випадку хлор може виявити ступінь окислення +3 і утворити хлористу кислоту HClO2, якою відповідають солі, наприклад, хлорит калію KClO2. У другому випадку хлор може утворити сполуки, в яких +5 хлору. До таких сполук відносяться HClO3 та її, наприклад, хлорат калію КClO3 (бертолетова). У третьому випадку хлор виявляє ступінь окислення +7, наприклад, у хлорній кислоті HClO4 та в її солях, ― перхлоратах (у перхлораті калію КClO4).
Будова молекул неметалів. Фізичні властивості неметалів
У газоподібному стані при кімнатній температурі знаходяться:
· водень - H2;
· азот ― N2;
· кисень - O2;
· Фтор - F2;
· Радон ― Rn).
У рідкому - бром - Br.
У твердому:
· бір ― B;
· вуглець ― C;
· Кремній ― Si;
· фосфор ― P;
· селен ― Se;
· Теллур - Te;
Набагато багатше у неметалів і квітів: червоний у фосфору, бурий у брому, жовтий у сірки, жовто-зелений у хлору, фіолетовий у парів йоду тощо.
Найбільш типові неметали мають молекулярну будову, а менш типові – немолекулярну. Цим і пояснюється відмінність їхніх властивостей.
Склад та властивості простих речовин – неметалів
Неметали утворюють як одноатомні, і двоатомні молекули. До одноатомнимНеметал відносяться інертні гази, що практично не реагують навіть з найактивнішими речовинами. розташовані у VIII групі періодичної системи, а хімічні формули відповідних простих речовин такі: He, Ne, Ar, Kr, Xe та Rn.
Деякі неметали утворюють двоатомнімолекули. Це H2, F2, Cl2, Br2, Cl2 (елементи VII групи періодичної системи), а також кисень O2 та азот N2. З триатомнихмолекул складається газ озон (O3). Для речовин неметалів, що у твердому стані, скласти хімічну формулу досить складно. Атоми вуглецю у графіті з'єднані один з одним по-різному. Виділити окрему молекулу у наведених структурах важко. При написанні хімічних формул таких речовин, як і у випадку з металами, вводиться припущення, що такі речовини складаються лише з атомів. , при цьому, записуються без індексів: C, Si, S і т.д. мають різні властивості. Так, кисень запаху не має, тоді як озон має різкий запах, який ми відчуваємо під час грози. Властивості твердих неметалів, графіту та алмазу, що мають також однаковий якісний склад, але різна будова різко відрізняються (графіт тендітний, твердий). Таким чином, властивості речовини визначаються не тільки його якісним складом, але і скільки атомів міститься в молекулі речовини і як вони пов'язані між собою. у вигляді простих тіл знаходяться у твердому газоподібному стані (за винятком брому - рідина). Вони мають фізичних властивостей, властивих металам. Тверді неметали не мають характерного для металів блиску, вони зазвичай крихкі, погано проводять і тепло (за винятком графіту). Кристалічний бір (як і кристалічний кремній) має дуже високу температуру плавлення (2075°С) і велику твердість. Електрична провідність бору з підвищенням температури сильно збільшується, що дає можливість широко застосовувати його напівпровідникової техніки. Добавка бору до сталі та сплавів алюмінію, міді, нікелю та ін. покращує їх механічні властивості. Бориди (з'єднання з деякими металами, наприклад титаном: TiB, TiB2) необхідні при виготовленні деталей реактивних двигунів, лопаток газових турбін. Як видно зі схеми 1, вуглець ― С, кремній ― Si, ― мають подібну будову і мають деякі загальними властивостями. Як прості речовини вони зустрічаються у двох видозмінах – у кристалічному та аморфному. Кристалічні видозміни цих елементів є дуже твердими, з високими температурами плавлення. Кристалічний має напівпровідникові властивості. Всі ці елементи утворюють сполуки з металами ― , та (CaC2, Al4C3, Fe3C, Mg2Si, TiB, TiB2). Деякі з них мають більшу твердість, наприклад Fe3C, TiB. використовується для отримання ацетилену.
Хімічні властивості неметалів
Відповідно до чисельних значень відносних електронегативностей окислювальні неметалів збільшується в наступному порядку: Si, B, H, P, C, S, I, N, Cl, O, F.
Неметали як окислювачі
Окисні властивості неметалів виявляються при їх взаємодії:
· З металами: 2Na + Cl2 = 2NaCl;
· З воднем: H2 + F2 = 2HF;
· з неметалами, які мають нижчу електронегативність: 2Р + 5S = Р2S5;
· з деякими складними речовинами: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O,
2FeCl2 + Cl2 = 2 FeCl3.
Неметали як відновники
1. Усі неметали (крім фтору) виявляють відновлювальні властивості при взаємодії з киснем:
S + O2 = SO2, 2H2 + O2 = 2H2О.
Кисень у поєднанні з фтором може виявляти і позитивний ступінь окислення, тобто бути відновником. Всі інші неметали виявляють відновлювальні властивості. Так, наприклад, хлор безпосередньо з киснем не з'єднується, але непрямим шляхом можна отримати його оксиди (Cl2O, ClO2, Cl2O2), у яких хлор виявляє позитивний ступінь окислення. Азот за високої температури безпосередньо з'єднується з киснем і виявляє відновлювальні властивості. Ще легше із киснем реагує сірка.
2. Багато неметалів виявляють відновлювальні властивості при взаємодії зі складними речовинами:
ZnO + C = Zn + CO, S + 6HNO3 конц = H2SO4 + 6NO2 + 2H2О.
3. Існують і такі реакції, в яких і неметал є одночасно і окислювачем і відновником:
Cl2 + H2О = HCl + HClO.
4. Фтор ― типовий неметал, якому нехарактерні відновлювальні властивості, т. е. здатність віддавати електрони в хімічних реакціях.
З'єднання неметалів
Неметали можуть утворювати сполуки з різними внутрішньомолекулярними зв'язками.
Види з'єднань неметалів
Загальні формули водневих сполук за групами періодичної системи хімічних елементів наведені в таблиці:
|
Летючі водневі сполуки |
Загальна халькогенів.
У головній підгрупі шостої групи періодичної системи елементів. І. Менделєєва знаходяться елементи: кисень (О), сірка (S), селен (Se), (Te) та (Po). Ці елементи мають загальну назву халькогени, що означає утворювальні руди.
У підгрупі халькогенів зверху донизу зі збільшенням заряду атома закономірно змінюються властивості елементів: зменшується їх неметалічний і посилюються металеві властивості. Так – типовий неметал, а полоній – метал (радіоактивний).
Сірий селен
Виробництво фотоелементів та випрямлячів електричного струму
У напівпровідниковій техніці
Біологічна роль халькогенів
Сірка відіграє важливу роль у житті рослин, тварин та людини. У тваринних організмах сірка входить до складу майже всіх білків, у сірковмісних - і, а також до складу вітаміну В1 і гормону інсуліну. При нестачі сірки у овець уповільнюється ріст вовни, а у птахів відзначено погану оперність.
З рослин найбільше споживають сірку капуста, салат, шпинат. Багаті на сірку також стручки гороху та квасолі, редис, ріпа, цибуля, хрін, гарбуз, огірки; бідні на сірий і буряк.
За хімічними властивостями селен і телур дуже схожі на сірку, але за фізіологічними є антагоністами. Для нормального функціонування організму потрібні дуже малі кількості селену. Селен позитивно впливає на серцево-судинну систему, червоні кров'яні, підвищує імунні властивості організму. Підвищена кількість селену викликає у тварин захворювання, що проявляється у схудненні та сонливості. Нестача селену в організмі веде до порушення роботи серця, органів дихання, підвищується тіла і може навіть настати. Істотно впливає селен на тварин. Наприклад, у оленів, які відрізняються високою гостротою зору, у сітківці селену міститься у 100 разів більше, ніж в інших частинах тіла. У рослинному світі багато селену містять усі рослини. Особливо велике його накопичує рослина.
Фізіологічна роль телуру для рослин, тварин та людини вивчена менше, ніж селену. Відомо, що телур менш токсичний порівняно з селеном і сполуки телуру в організмі швидко відновлюються до елементарного телуру, який у свою чергу поєднується з органічними речовинами.
Загальна характеристика елементів підгрупи азоту
У головну підгрупу п'ятої групи входять азот (N), фосфор (P), миш'як (As), сурма (Sb) та (Bi).
Зверху вниз у підгрупі від азоту до вісмуту неметалеві властивості зменшуються, а металеві властивості та радіус атомів збільшуються. Азот, фосфор, миш'як є неметалами, а відноситься до металів.
Підгрупа азоту
|
Порівняльні характеристики |
7 N азот |
15 Р фосфор |
33 As миш'як |
51 Sb сурма |
83 Bi висмут |
|||||
|
Електронна будова |
…4f145d106S26p3 |
|||||||||
|
Ступінь окислення |
1, -2, -3, +1, +2, +3, +4, +5 |
3, +1, +3, +4,+5 |
||||||||
|
Електро- негативність |
||||||||||
|
Знаходження у природі |
У вільному стані - в атмосфері (N2 -), у зв'язаному - у складі NaNO3 -; КNO3 ― індійська селітра |
Ca3(РО4)2 ― фосфорит, Ca5(РО4)3(ОН) ― гідрооксилапатит, Ca5(РО4)3F ― фторапатит |
||||||||
|
Алотропічні форми за звичайних умов |
Азот (одна форма) |
NH3 + Н2О ↔ NH4ОН ↔ NH4+ + ВІН – (гідроксід амонію); РH3 + Н2О ↔ РH4ОН ↔ РH4+ + ОН- (гідроксид фосфонію). Біологічна роль азоту та фосфору Азот відіграє винятково важливу роль у житті рослин, оскільки входить до складу амінокислот, білків та хлорофілу, вітамінів групи В, ферментів, що активізують. Тому недолік азоту в ґрунті негативно позначається на рослинах, і в першу чергу на вміст хлорофілу в листі, через що вони бліднуть. споживають від 50 до 250 кг азоту на 1 гектар площі ґрунту. Найбільше азоту знаходиться в квітах, молодому листі та плодах. Найважливішим джерелом азоту для рослин є азотні - це в основному нітрат амонію та сульфат амонію. Слід зазначити також особливу роль азоту як складової частини повітря найважливішого компонента живої природи. Жоден з хімічних елементів не бере такої активної та різноманітної участі у життєвих процесах рослинних та тваринних організмів, як фосфор. Він є складовою нуклеїнових кислот, входить до складу деяких ферментів та вітамінів. У тварин і людини у кістках зосереджено до 90 % фосфору, у м'язах – до 10 %, у нервовій – близько 1 % (у вигляді неорганічних та органічних сполук). У м'язах, печінці, мозку та інших органах знаходиться у вигляді фосфатидів та фосфорних ефірів. Фосфор бере участь у м'язових скороченнях та у побудові м'язової та кісткової тканини. Людям, які займаються розумовою працею, необхідно вживати підвищену кількість фосфору, щоб не допустити виснаження нервових клітин, які функціонують із підвищеним навантаженням саме при розумовій праці. При нестачі фосфору знижується працездатність, розвивається невроз, порушується двовалентна германія, олова та свинцю GeО, SnО, PbО ― амфотерними оксидами. Вищі оксиди вуглецю та кремнію СО2 та SiO2 є кислотними оксидами, яким відповідають гідроксиди, що виявляють слабокислотні властивості ― Н2СО3 та кремнієва кислота Н2SiО3. Амфотерним оксидам - GeО2, SnО2, PbО2 - відповідають амфотерні гідроксиди, причому при переході від гідроксиду германію Ge(ОН)4 до гідроксиду свинцю Pb(ОН)4 кислотні властивості послаблюються, а основні посилюються. Біологічна роль вуглецю та кремнію Сполуки вуглецю є основою рослинних і тваринних організмів (45% вуглецю міститься в рослинах і 26% - у тваринних організмах). Характерні біологічні властивості виявляють оксид вуглецю (II) та оксид вуглецю (IV). Оксид вуглецю (II) - дуже токсичний газ, оскільки він міцно з'єднується з гемоглобіном крові і позбавляє гемоглобін можливості переносити кисень від легень до капілярів. При вдиханні може отримати отруєння, можливий навіть смертельний. Оксид вуглецю (IV) особливо важливий для рослин. У клітинах рослин (особливо у листі) у присутності хлорофілу та дією сонячної енергії відбувається глюкози з вуглекислого та води з виділенням кисню. В результаті фотосинтезу рослини щорічно пов'язують 150 млрд. т вуглецю та 25 млрд. т водню, та виділяють в атмосферу до 400 млрд. т кисню. Вчені встановили, що рослини отримують близько 25% СО2 через кореневу систему із розчинених у ґрунті карбонатів. Кремній рослини використовують для побудови покривних тканин. Кремній, що містяться в рослинах, просочуючи клітинні стінки, робить їх більш твердими та стійкими до пошкоджень комахами, оберігає їх від проникнення грибної інфекції. Кремній знаходиться майже у всіх тканинах тварин і людини, особливо на них багаті печінка, хрящі. У туберкульозних хворих у кістках, зубах та хрящах кремнію значно менше, ніж у здорових людей. При таких захворюваннях, як Боткіна, відзначається зменшення вмісту кремнію в крові, а при ураженні товстої кишки - навпаки, збільшення його вмісту в крові. |
Біогенні елементи в організмі людини
ВСТУП
1.1 Біогенні елементи – неметали, що входять до складу організму людини
2 Біогенні елементи – метали, що входять до складу організму людини
РОЛЬ КИСНЕРУ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
РОЛЬ ВУГЛЕЦЮ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
РОЛЬ ВОДОРОДУ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
РОЛЬ КАЛІЯ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
РОЛЬ СЕРИ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
РОЛЬ КАЛЬЦІЯ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
ВИСНОВОК
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
ВСТУП
Думка у тому, що у людини можна знайти майже всі елементи періодичної системи Д.І. Менделєєва стає звичним. Проте вчені припускають, що у живому організмі як присутні всі хімічні елементи, але кожен із новачків виконує якусь біологічну функцію. Цілком можливо, що ця гіпотеза не підтвердиться. У міру того як розвиваються дослідження в даному напрямку, виявляється біологічна роль дедалі більшої кількості хімічних елементів.
Для збереження свого здоров'я людина повинна забезпечувати організм збалансованим надходженням поживних елементів з їжею, водою, повітрям, що вдихається. Часто рекламують продукти харчування з підвищеним вмістом кальцію, йоду та інших хімічних елементів, але чи це корисно для нашого організму? До яких захворювань може призвести надлишок чи нестача того чи іншого хімічного елемента у дітей та дорослих?
У наш час, коли здорових людей вже з дитячого віку стає дедалі менше, ця проблема є справді актуальною.
У людському організмі безперервно утворюються безліч різних хімічних сполук. Частина із синтезованих сполук використовується як будівельний матеріал або джерело енергоживлення і забезпечує організму зростання, розвиток і життєдіяльність; інша частина, яку можна як шлаки чи відходи, виводиться з організму.
В обміні речовин беруть участь і неорганічні та органічні речовини. Хімічні елементи, що утворюють ці речовини, називаються біогенними елементами. Достовірно біогенними вважаються близько 30 елементів.
На малюнку 1 подано основні хімічні елементи, що входять до складу організму людини.
Малюнок 1 – Діаграма. Елементарний склад організму людини.
1.1 Біогенні елементи – неметали, що входять до складу організму людини
Серед біогенних елементів особливе місце займають елементи-органогени, які утворюють найважливіші речовини організму – воду, білки, вуглеводи, жири, вітаміни, гормони та інші. До органогенів належать 6 хімічних елементів: вуглець, кисень, водень, азот, фосфор, сірка. Їхня загальна масова частка в організмі людини становить приблизно 97,3% (див. таблицю 1).
Усі елементи-органогени є неметалами. Серед неметалів біогенними є також хлор (масова частка 0,15%), фтор, йод та бром. Ці елементи не включають до елементів-органогенів, оскільки, на відміну від останніх, вони не відіграють настільки універсальної ролі в побудові органічних структур організму. Існують дані про біогенність кремнію, бору, миш'яку, селену.
Таблиця 1. Зміст елементів-органогенів у людини.
|
Елементи – органогени |
Масова частка (у%) |
Маса (в г/70 кг) |
|
вуглець (С) |
||
|
кисень (О) |
||
|
водень (H) |
||
|
фосфор (P) |
||
|
68117 ≈ 68 кг |
1.2 Біогенні елементи – метали, що входять до складу організму людини
До біогенних елементів належить ряд металів, серед яких особливо важливі біологічні функції виконують 10 так званих «металів життя». Цими металами є кальцій, калій, натрій, магній, залізо, цинк, мідь, марганець, молібден, кобальт (див. таблицю 2).
Крім 10 «металів життя» до біогенних елементів відносять ще кілька металів, наприклад, олово, літій, хром і деякі інші.
Таблиця 2. Зміст «металів життя» в організмі людини
|
Масова частка (у%) |
Маса (в г/70 кг) |
|
|
Кальцій (Ca) |
||
|
Натрій (Na) |
||
|
Магній (Mg) |
||
|
Залізо (Fe) |
||
|
Марганець (Mn) |
||
|
Молібден (Mo) |
||
|
Кобальт (Co) |
||
Залежно від масової частки в організмі всі біогенні елементи поділяються на:
а) макроелементи (масова частка в організмі більше 10 -2% або більше 7г);
б) мікроелементи (масова частка в організмі менше 10 -2 %, або менше 7 г).
До макроелементів відносяться всі органогени, хлор та 4 «метали життя»: магній, калій, кальцій, натрій. Вони становлять 99,5%, причому понад 96% припадає на 4 елементи (вуглець, кисень, водень, азот). Вони є основними компонентами всіх органічних сполук.
Мікроелементи містяться у клітинах у дуже малих кількостях. До них належать цинк, марганець, мідь, йод, фтор та інші. Але навіть ті елементи, які містяться в мізерно малих кількостях, необхідні для життя і нічим не можуть бути замінені. Біологічна роль та функції, які виконують ці елементи в організмі людини, дуже різноманітні, а їх недолік чи надлишок може призвести до серйозних захворювань (див. додатки Б та Г). Достатньо сказати, що близько 200 ферментів активізуються металами. Загалом в організмі людини виявлено близько 70 мінеральних речовин, із них 14 мікроелементів вважаються незамінними – це залізо, кобальт, мідь, хром, нікель, марганець, молібден, цинк, йод, олово, фтор, кремній, ванадій, селен. Багато мікроелементів надходять в організм майже виключно за рахунок плодоовочевого харчування. Дикорослі їстівні рослини також багаті на мікроелементи, які, будучи витягнуті з глибинних шарів, накопичуються в листі, квітах, плодах.
2. РОЛЬ КИСНЕРУ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
Головною функцією молекулярного кисню в організмі є окиснення різних сполук. Разом із воднем кисень утворює воду, вміст якої в організмі дорослої людини в середньому становить близько 55-65%.
Кисень входить до складу білків, нуклеїнових кислот та інших життєво необхідних компонентів організму. Кисень необхідний дихання, окислення жирів, білків, вуглеводів, амінокислот, і навіть багатьох інших біохімічних процесів.
Звичайний шлях надходження кисню в організм лежить через легені, де цей біоелемент проникає в кров, поглинається гемоглобіном і утворює легко дисоціюючу сполуку - оксигемоглобін, а потім з крові надходить у всі органи та тканини. Кисень надходить в організм також і у зв'язаному стані, у вигляді води. У тканинах кисень витрачається переважно на окислення різних речовин у процесі метаболізму. Надалі майже весь кисень метаболізується до діоксиду вуглецю та води, і виводиться з організму через легені та нирки.
Знижений вміст кисню в організмі.
При недостатньому постачанні тканин організму киснем чи порушенні його утилізації розвиваються явища гіпоксії (кисневого голодування).
Основні причини дефіциту кисню:
· Припинення або зниження надходження кисню в легені, знижений парціальний тиск кисню у повітрі, що вдихається;
· Значне зменшення кількості еритроцитів або різке зниження вмісту в них гемоглобіну;
· Порушення здатності гемоглобіну зв'язувати, транспортувати або віддавати тканинам кисень;
· Порушення здатності тканин утилізувати кисень;
· пригнічення окислювально-відновних процесів у тканинах;
· Застійні явища в судинному руслі внаслідок розладів серцевої діяльності, кровообігу та дихання;
· ендокринопатії, авітамінози;
Основні прояви дефіциту кисню:
· У гострих випадках (при повному припиненні надходження кисню, гострих отруєннях): втрата свідомості, розлад функцій вищих відділів ЦНС;
· у хронічних випадках: підвищена стомлюваність, функціональні порушення діяльності ЦНС, серцебиття та задишка при незначному фізичному навантаженні, зниження реактивності імунної системи.
Токсична доза в людини: токсичний як О 3 .
Підвищений вміст кисню в організмі.
Тривале підвищення вмісту кисню у тканинах організму (гіпероксія) може супроводжуватись кисневим отруєнням; зазвичай гіпероксію супроводжує підвищення вмісту кисню в крові (гіпероксемія).
Токсична дія озону та надлишку кисню пов'язують з утворенням у тканинах великої кількості радикалів, що виникають внаслідок розриву хімічних зв'язків. У невеликій кількості радикали утворюються й у нормі, як проміжний продукт клітинного метаболізму. При надлишку радикалів ініціюється процес окислення органічних речовин, у тому числі перекисне окислення ліпідів, з їх подальшим розпадом та утворенням кисневмісних продуктів (кетони, спирти, кислоти).
Кисень входить до складу молекул множини речовин - від найпростіших до складних полімерів; наявність в організмі та взаємодія цих речовин забезпечує існування життя. Будучи складовою молекули води, кисень бере участь у всіх біохімічних процесах які у організмі.
Кисень незамінний, при його нестачі ефективним засобом можливо тільки відновлення нормального постачання організму киснем. Навіть короткочасне (кілька хвилин) припинення надходження кисню в організм може спричинити тяжкі порушення його функцій та подальшу смерть.
3. РОЛЬ ВУГЛЕЦЮ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
ВУГЛЕРОД - найважливіший біогенний елемент, що становить основу життя Землі, структурна одиниця великої кількості органічних сполук, що у побудові організмів та забезпеченні їх життєдіяльності (біополімери, і навіть численні низькомолекулярні біологічно активні речовини - вітаміни, гормони, медіатори та інших.). Значна частина необхідної організмам енергії утворюється у клітинах рахунок окислення вуглецю. Виникнення життя Землі у сучасної науці як складний процес еволюції вуглецевих сполук.
В організм людини вуглець надходить із їжею (у нормі близько 300 г на добу). Загальний вміст вуглецю сягає близько 21% (15 кг на 70 кг загальної маси тіла). Вуглець становить 2/3 маси м'язів та 1/3 маси кісткової тканини. Виводиться з організму переважно з повітрям, що видихається (вуглекислий газ) і сечею (сечовина).
Головною функцією вуглецю є формування різноманітності органічних сполук, тим самим, забезпечуючи біологічну різноманітність, участь у всіх функціях та проявах живого. У біомолекулах вуглець утворює полімерні ланцюги і міцно з'єднується з воднем, киснем, азотом та іншими елементами. Така істотна фізіологічна роль вуглецю визначається тим, що цей елемент входить до складу всіх органічних сполук та бере участь практично у всіх біохімічних процесах в організмі. Окислення сполук вуглецю під дією кисню призводить до утворення води та вуглекислого газу; цей процес служить для організму джерелом енергії. Двоокис вуглецю CO 2 (вуглекислий газ) утворюється в процесі обміну речовин, є стимулятором дихального центру, відіграє важливу роль у регуляції дихання та кровообігу.
У вільному вигляді вуглець не токсичний, але багато його сполук мають значну токсичність. До таких сполук слід віднести окис вуглецю СО (чадний газ), чотирихлористий вуглець CСl 4 , сірковуглець СS 2 , солі ціаністої кислоти HCN, бензол С 6 Н 6 та інші. Вуглекислий газ у концентрації понад 10% викликає ацидоз (зниження рН крові), задишку та параліч дихального центру.
Тривале вдихання кам'яновугільного пилу може призвести до антракозу, захворювання, що супроводжується відкладенням вугільного пилу в тканині легень і лімфатичних вузлів, склеротичними змінами легеневої тканини. Токсична дія вуглеводнів та інших сполук нафти у робітників нафтовидобувної промисловості може виявитися в огрубінні шкіри, появі тріщин та виразок, розвитку хронічних дерматитів.
Для людини вуглець може бути токсичним у формі окису вуглецю (СО) або ціанідів (CN -).
4. РОЛЬ ВОДОРОДУ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
Вода найважливіша сполука водню у живому організмі. Основні функції води такі:
Вода, що має високу питому теплоємність, забезпечує підтримку сталості температури тіла. При перегріві тіла відбувається випаровування води з поверхні. Через високу теплоту пароутворення цей процес супроводжується великими витратами енергії, внаслідок чого температура тіла знижується. Так підтримується тепловий баланс організму.
Вода підтримує кислотно-основну рівновагу організму. Більшість тканин та органів в основному складаються з води. Дотримання загального кислотно-основного балансу в організмі не виключає значних відмінностей у значеннях рН для різних органів і тканин. Важливим з'єднанням водню є пероксид водню Н2O2 (традиційна назва перекис водню). Н2O2 окислює ліпідний шар мембран клітин, руйнуючи його.
5. РОЛЬ КАЛІЮ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
Калій – обов'язковий учасник багатьох обмінних процесів. Важливе значення має калій у підтримці автоматизму скорочення серцевого м'яза – міокарда; забезпечує виведення іонів натрію з клітин та заміну їх іонами калію, що у свою чергу супроводжується виведенням надлишкової рідини з організму.
У порівнянні з іншими продуктами калію найбільше в сушених абрикосах, інжирі, апельсинах, мандаринах, картоплі (500 г картоплі забезпечують добову потребу), сушених персиках, ріпі, шипшині, чорній та червоній смородині, брусниці, суниці, кавунах, аличе, свіжих огірках, брюссельській капусті, волоських і лісових горіхах, зелені петрушки, родзинках, чорносливі, житньому хлібі, вівсяній крупі.
Добова потреба калію для дорослої людини 2-3 г на добу, а для дитини – 16-30 мг на кг маси тіла. Необхідний мінімум споживання калію для людини на добу становить близько 1 г. При нормальному харчовому раціоні добова потреба в калії повністю задовольняється, але відзначаються ще сезонні коливання споживання калію. Так, навесні його споживання невисоке – близько 3 г/добу, а восени максимальне споживання – 5-6 г/добу.
Враховуючи тенденцію сучасних людей до вживання з їжею великої кількості кухонної солі, також зростає потреба в калії, який може нейтралізувати несприятливий вплив надлишку кількості натрію на організм.
Нестача надходження калію з їжею може призвести до дистрофії навіть за нормального вмісту білків у раціоні. Порушення обміну калію проявляється при хронічних захворюваннях нирок та серцево-судинної системи, при захворюваннях шлунково-кишкового тракту (особливо, що супроводжуються проносом та блюванням), при захворюванні залоз внутрішньої секреції та іншої патології.
Нестача калію в організмі проявляється, насамперед порушеннями нервово-м'язової та серцево-судинної систем (сонливість, порушення рухів, тремтіння кінцівок, уповільнене серцебиття). З лікувальною метою застосовуються препарати калію.
Надлишок калію спостерігається значно рідше, але є вкрай небезпечним станом: мляві паралічі кінцівок, зміни з боку серцево-судинної системи. Такий стан може виявлятися при вираженому зневодненні організму, гіперкортицизмі з порушенням функції нирок та при введенні хворому на велику кількість калію.
Сірка в організмі людини - неодмінна складова частина клітин, тканин органів, ферментів, гормонів, зокрема, інсуліну найважливішого ферменту підшлункової залози та сірковмісних амінокислот; забезпечує просторову організацію молекул білків, необхідну їхнього функціонування, захищає клітини, тканини та шляхи біохімічного синтезу від окислення, а весь організм - від токсичної дії чужорідних речовин. Досить багато її в нервовій, сполучній, кістковій тканинах. Сірка є компонентом структурного білка колагену. Поповнення організму сіркою забезпечується правильно організованим харчуванням, яке включає м'ясо, куряче яйце, вівсяну і гречану крупи, борошняні вироби, молоко, сири, бобові овочі та капусту.
Незважаючи на значну кількість проведених досліджень, роль сірки у забезпеченні життєдіяльності організму з'ясована не повною мірою. Так, поки що відсутні чіткі клінічні описи будь-яких специфічних розладів, пов'язаних з недостатнім надходженням сірки в організм. У той же час відомі ацидоамінопатії - розлади, пов'язані з порушенням обміну амінокислот, що містять сірки (гомоцистинурія, цистатіонурія). Є також велика література, що відноситься до клініки гострих і хронічних інтоксикацій сполуками сірки.
Основні прояви дефіциту сірки:
· симптоми захворювань печінки;
· симптоми захворювань суглобів;
· симптоми захворювань шкіри;
· різноманітні та численні прояви дефіциту в організмі та порушення метаболізму біологічно активних сірковмісних сполук.
Підвищений вміст сірки в організмі.
При високих концентраціях сірководню у повітрі, що вдихається, клінічна картина інтоксикації розвивається дуже швидко, протягом декількох хвилин виникають судоми, втрата свідомості, зупинка дихання. Надалі наслідки перенесеного отруєння можуть виявлятися стійкими головними болями, порушеннями психіки, паралічами, розладами функцій системи дихання та шлунково-кишкового тракту.
Встановлено, що парентеральне введення дрібно подрібненої сірки в масляному розчині у кількості 1-2 мл супроводжується гіпертермією з гіперлейкоцитозом та гіпоглікемією. Вважають, що при парентеральному введенні токсичність іонів сірки у 200 разів вища за іони хлору.
Токсичність сполук сірки, що потрапили в шлунково-кишковий тракт, пов'язана з їх перетворенням кишковою мікрофлорою на сульфід водню, дуже токсичною сполукою.
У випадках смертельних наслідків після отруєння сіркою при розтині відзначають ознаки емфіземи легень, запалення мозку, гострого катарального ентериту, некрозу печінки, крововиливу (петехії) у міокард.
При хронічних інтоксикаціях (сірковуглець, сірчистий газ) спостерігаються порушення психіки, органічні та функціональні зміни нервової системи, слабкість м'язів, погіршення зору та різноманітні розлади діяльності інших систем організму.
В останні десятиліття одним із джерел надлишкового надходження сірки в організм людини стали сірковмісні сполуки (сульфіти), які додаються до багатьох харчових продуктів, алкогольних і безалкогольних напоїв як консервантів. Особливо багато сульфітів у копченостях, картоплі, свіжих овочах, пиві, сидрі, готових салатах, оцті, барвниках вина. Можливо, споживання сульфітів, що збільшується, частково повинно в зростанні захворюваності на бронхіальну астму. Відомо, напр., що 10% хворих на бронхіальну астму виявляють підвищену чутливість до сульфітів (тобто є сенсибілізованими до сульфіту). Для зниження негативної дії сульфітів на організм рекомендується збільшувати вміст раціону сирів, яєць, жирного м'яса, птиці.
Основні прояви надлишку сірки:
· Свербіж шкіри, висипи, фурункульоз;
· Почервоніння та набрякання кон'юнктиви;
· Поява дрібних точкових дефектів на рогівці;
· ломота в бровах та очних яблуках, відчуттям піску в очах;
· Світлобоязнь, сльозотеча;
· загальна слабкість, головний біль, запаморочення, нудота;
· Катар верхніх дихальних шляхів, бронхіт;
· Ослаблення слуху;
· Розлади травлення, проноси, зниження маси тіла;
· недокрів'я;
· судоми та втрата свідомості (при гострій інтоксикації);
· Психічні порушення, зниження інтелекту.
Роль сірки в організмі людини є надзвичайно важливою, а порушення сірчаного обміну супроводжуються численними патологіями. Тим часом клініка цих порушень недостатньо розроблена. Точніше сказати, різні "неспецифічні" прояви розладу здоров'я людини поки що не асоціюються у клініцистів із порушеннями обміну сірки.
7. РОЛЬ КАЛЬЦІЯ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ
Кальцій безпосередньо бере участь у найскладніших процесах, наприклад, таких, як згортання крові; регуляція внутрішньоклітинних процесів; регуляція проникності клітинних мембран; регуляція процесів нервової провідності та м'язових скорочень; підтримка стабільної серцевої діяльності; формування кісткової тканини; мінералізація зубів.
Кальцій є важливим складником організму; його загальний вміст близько 14% (1000 г на 70 кг маси тіла). В організмі кальцій розподілений нерівномірно: близько 99% його кількості припадає на кісткову тканину і лише 1% міститься в інших органах та тканинах. Виводиться кальцій з організму через кишечник та нирки.
Крім того, тривалий недолік кальцію в їжі небажано позначається на збудливості серцевого м'яза та ритмі його скорочень.
Незважаючи на те, що в харчуванні більшості людей цілком достатньо продуктів, що містять кальцій, дуже багато страждають від недостатності кальцію. Причина полягає в тому, що кальцій важко засвоюється.
Насамперед, слід зазначити, що кальцій втрачається при термічній обробці (наприклад, при варінні овочів - 25%). Втрати кальцію будуть незначні, якщо вода, в якій варилися овочі, йде у вжиток.
Необхідно також пам'ятати, що всмоктування кальцію в кишечнику утруднюється фітиновою кислотою, якою найбільше в житньому хлібі, і щавлевою кислотою, яка є в достатку в щавлі, какао. Утрудняється утилізація кальцію їжею, багатою на жири. "Ворогами" кальцію є тростинний цукор, шоколад і какао.
Основні прояви дефіциту кальцію.
Наслідки дефіциту кальцію можуть виявлятися як на рівні всього організму, так і окремих систем:
· загальна слабкість, підвищена стомлюваність;
· Болі, судоми в м'язах;
· Болі в кістках, порушення ходи;
· Порушення процесів зростання;
· Гіпокальціємія, гіпокальциноз;
· Декальцинація скелета, деформуючий остеоартроз, остеопороз, деформація хребців, переломи кісток;
· мочекам'яна хвороба;
· Хвороба Кашина-Бека;
· Порушення імунітету;
· зниження згортання крові, кровоточивість.
Підвищений вміст кальцію в організмі.
Токсична дія кальцію проявляється тільки при тривалому прийомі та зазвичай у осіб з порушеним обміном цього біоелемента (напр., при гіперпаратиреозі). Отруєння може настати при регулярному споживанні понад 2,5 г кальцію на добу.
Основні прояви надлишку кальцію:
· Пригнічення збудливості скелетних м'язів та нервових волокон;
· Зменшення тонусу гладких м'язів;
· Гіперкальціємія, підвищення вмісту кальцію в плазмі крові;
· Підвищення кислотності шлункового соку, гіперацидний гастрит, виразки шлунка;
· Кальциноз, відкладення кальцію в органах і тканинах (у шкірі та підшкірній клітковині; сполучної тканини по ходу фасцій, сухожиль, апоневрозів; м'язах; стінках кровоносних судин; нервах);
· Брадикардія, стенокардія;
· Подагра, звапніння туберкульозних вогнищ і т.д.;
· Збільшення вмісту солей кальцію в сечі;
· Нефрокальциноз, нирково-кам'яна хвороба;
· Збільшення згортання крові;
· збільшення ризику розвитку дисфункції щитовидної та навколощитоподібних залоз, аутоімунного тиреоїдиту;
· Витиснення з організму фосфору, магнію, цинку, заліза.
Найлегше засвоюваним є кальцій молока та молочних продуктів (за винятком вершкового масла) у поєднанні з овочами та фруктами. Для задоволення добової потреби достатньо 0,5 л молока чи 100 г сиру. До речі, молоко не тільки є чудовим джерелом кальцію, а й сприяє засвоєнню кальцію, що міститься в інших продуктах.
Дуже важливою для засвоєння кальцію є присутність у раціоні вітаміну D, який нейтралізує дію різних антикалькуючих речовин та є регулятором фосфорно-кальцієвого обміну.
хімічний біологічний органоген кисень
ВИСНОВОК
Усі живі організми мають тісний контакт із навколишнім середовищем. Життя потребує постійного обміну речовин в організмі. Надходженню в організм хімічних елементів сприяє харчування та споживана вода. Організм складається з води на 60%, 34% припадає на органічні речовини та 6% на неорганічні. Основними компонентами органічних речовин є С, Н, О. До їх складу входять також N, P, S. У складі неорганічних речовин обов'язково присутні 22 хімічні елементи (див. таблицю № 1). Наприклад, якщо вага людини становить 70 кг, то в ньому міститься (у грамах): Са – 1700, К – 250, Na –70, Mg – 42, Fe – 5, Zn – 3. На частку металів припадає 2,1 кг . Зміст в організмі елементів IIIA-VIA груп, ковалентно пов'язаних з органічною частиною молекул, зменшується зі зростанням заряду ядра атомів даної групи періодичної системи Д. І. Менделєєва.
Сучасний стан знань про біологічну роль елементів можна характеризувати як поверхневий дотик цієї проблеми. Накопичено багато фактичних даних щодо вмісту елементів у різних компонентах біосфери, реакції реакції організму на їх недолік і надлишок. Складено карти біогеохімічного районування та біогеохімічних провінцій. Але немає загальної теорії розглядаючої функції, механізм впливу та роль мікроелементів у біосфері.
Звичайні мікроелементи, коли їх концентрація в організмі перевищує біотичну концентрацію, виявляють токсичну дію на організм. Токсичні елементи при дуже малих концентраціях не шкідливо впливають на рослини і тварин. Наприклад, миш'як при мікроконцентраціях має біостимулюючу дію. Отже, немає токсичних елементів, тобто токсичні дози. Таким чином, малі дози елемента – ліки, великі дози – отрута. «Все є отрута, і ніщо не позбавлене отруйності, одна лише доза робить отруту непомітною» - Парацельс. Доречно згадати слова таджицького поета Рудакі: «Що нині славою славиться, то завтра стане отрутою».
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Авцин А.П., Жаворонков А.А. та ін. Мікроелементи людини. -М: Медицина, 1991. -496 с.
Єршов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С., Книжник О.З., Михайличенко Н.І. Загальна хімія. Біофізична хімія. Хімія біогенних елементів. -М: Вища школа, 1993. -560 с.
Єршов Ю.А., Плетньова Т.В. Механізми токсичної дії неорганічних сполук. -М: Медицина, 1989. -272 с.
Жолнін А.В. Комплексні з'єднання. Челябінськ: ЧДМА, 2000. -28 с.
Бінгам Ф.Г., Коста М., Ейхенберг Е. та ін. Деякі питання токсичності іонів металів. -М: Медицина, 1993. -368 с.
Фрімантл М. Хімія у дії. -М: Світ, 1991. т.2, 620 с.
Х'юз М. Неорганічна хімія біологічних процесів. -М.: Світ, 1983. – 416 с.
Жолнін А.В., Арбузіна Р.Ф., Констанц Е.В., Рильникова Г.І. Методичний посібник до лабораторних занять із загальної хімії. ч. ІІ. -Челябінськ: ЧДМА, 1993 -176 с.
Ентеросорбція. /Під. ред. проф. Н.А. Білякова. Центр сорбційної технології. -Л., 1991. – 336 с.
Ми приділили велику увагу ролі металів. Однак необхідно враховувати, що деякі неметали також абсолютно необхідні для функціонування організму.
Кремній
Кремній також є необхідним мікроелементом. Це було підтверджено ретельним вивченням харчування щурів з використанням різних дієт. Щури помітно додали у вазі при додаванні метасилікату натрію (Na2(SiO)3 . 9H2O) до їх раціону (50мг на 100г). курчатам і щурам кремній потрібен для зростання та розвиток скелета. Нестача кремнію призводить до порушення структури кісток та сполучної тканини. Як з'ясувалося, кремній присутній у тих ділянках кістки, де відбувається активна кальцинація, наприклад, у кістках утворюючих клітинах, остеобластах. З віком концентрація кремнію у клітинах падає.
Про те, в яких процесах бере участь кремній у живих системах, відомо мало. Там він знаходиться у вигляді крем'яної кислоти і, напевно, бере участь у реакціях зшивання вуглецю. У людини найбагатшим джерелом кремнію виявилася гіалуронова кислота пуповини. Вона містить 1,53 мг вільного і 0,36 мг пов'язаного кремнію на один грам.
Селен
Недолік селену спричиняє загибель клітин м'язів і призводить до м'язової, зокрема серцевої, недостатності. Біохімічне вивчення цих станів призвело до відкриття ферменту глутатіонпероксидази, що руйнує пероксиди. Здатність селену оберігати від отруєння ртуттю добре відома. Набагато менш відомий той факт, що існує кореляція між високим вмістом селену в раціоні та низькою смертністю від раку. Селен входить у раціон людини у кількості 55 110мг на рік, а концентрація селену у крові становить 0,09 0,29мкг/см. При прийомі всередину селен концентрується в печінці та нирках. Ще один приклад захисної дії селену від інтоксикації легкими металами є його здатність запобігати отруєнню сполуками кадмію. Виявилося, що як і у випадку з ртуттю, селен змушує ці токсичні іони зв'язуватися з іонними активними центрами, з тими, на яке їхня токсична дія не впливає.
Миш'як
Незважаючи на добре відомі токсичні дії миш'яку та його сполук, є достовірні дані згідно з якими недолік миш'яку призводить до зниження народжуваності та пригнічення росту, а додавання в їжу арсеніту натрію призвело до збільшення швидкості росту у людини.
Хлор та бром
Аніони галогенів відрізняються від усіх тим, що вони є простими, а не оксо аніонами. Хлор поширений надзвичайно широко, він здатний проходити крізь мембрану і відіграє важливу роль у підтримці осмотичної рівноваги. Хлор є у вигляді соляної кислоти в шлунковому соку. Концентрація соляної кислоти у шлунковому соку людини дорівнює 0,4-0,5%.
Щодо ролі брому як мікроелемента існують деякі сумніви, хоча достовірно відома його седативна дія.
Фтор
Для нормального зростання фтор необхідний, і його недолік призводить до анемії. Велику увагу було приділено метаболізму фтору у зв'язку з проблемою карієсу зубів, оскільки фтор захищає зуби від карієсу.
Карієс зубів вивчений досить детально. Він починається з утворення на поверхні зуба плями. Кислоти, що виробляються бактеріями, розчиняють під плямою зубну емаль, але, як не дивно, не з її поверхні. Часто верхня поверхня залишається непошкодженою доти, доки ділянки під нею не виявляться повністю зруйнованими. Передбачається, що на цій стадії фторид іон може полегшувати утворення апатиту. Таким чином відбувається ремінелізація пошкодження, що почалося.
Фтор використовують для запобігання руйнуванням зубної емалі. Можна вводити фториди в зубну пасту або безпосередньо обробляти ними зуби. Концентрація фтору, необхідна для запобігання карієсу, становить у питній воді близько 1мг/л, але рівень споживання залежить не тільки від цього. Застосування високих концентрацій фторидів (більше 8 мг/л) може несприятливо вплинути на тонкі рівноважні процеси утворення кісткової тканини. Надмірне поглинання фторидів призводить до фторозу. Фтороз призводить до порушень у роботі щитовидної залози, пригнічення росту та ураження нирок. Тривале вплив фтору на організм призводить до мінералізації тіла. У результаті деформуються кістки, які навіть можуть зрости, і відбувається кальцифікація зв'язок.
Йод
Основною фізіологічною роль йоду є участь у метаболізмі щитовидної залози та властивих їй гормонах. Здатність щитовидної залози акумулювати йод властива також слинним та молочним залозам. А також деяким іншим органам. В даний час вважають, що провідну роль йод грає тільки в житті діяльності щитовидної залози.
Нестача йоду призводить до виникнення характерних симптомів: слабкості, пожовтіння шкіри, відчуття холоду та сухості. Лікування тиреоїдними гормонами чи йодом усуває ці симптоми. Нестача тереоїдних гормонів може призвести до збільшення щитовидної залози. У поодиноких випадках (обтяження в організмі різних сполук, що заважають поглинанню йоду, наприклад, тіоціанату або антитиреоїдного агента гоітрину, наявного в різних видах капусти) утворюється зоб. Недолік йоду особливо сильно відбивається на здоров'я дітей, вони відстають у фізичному та розумовому розвитку. Йод дефіцитна дієта під час вагітності призводить до народження гіпотироїдних дітей (кретинів).
Надлишок гормонів щитовидної залози призводить до виснаження, нервозності, тремору, втрати ваги та підвищеної пітливості. Це пов'язано із збільшенням пероксидазної активності і внаслідок цього із збільшенням йодування тиреоглобулінів. Надлишок гормонів може бути наслідком пухлини щитовидної залози. При лікуванні використовують радіоактивні ізотопи йоду, які легко засвоюються клітинами щитовидної залози.
Неметали-органогени (О, З, Н, N, P, S), і навіть галогени утворюють головні біогеохімічні цикли природи. Прості неорганічні сполуки цих неметалів (H2O, CO, CO2, NH3, NO2, SO2, H2SO4, Н3РО4 та ін.) є продуктами життєдіяльності людини та тварин. Фрагментами цих циклів є перетворення одних сполук органогенів в інші за участю різних видів бактерій, наприклад, в грунті здійснюються переходи H2 → H2 O, CO → CO2 , N2 → NH3 → S2 O3 2- → SO2 → SO4 2- . Маючи в своєму розпорядженні елементи-органогени в порядку зменшення їх вмісту (в мас.%), отримаємо: O > C > H > N > P > S. Згідно саме цього ряду, а не традиційного звернення до груп Періодичної Системи, розглянемо властивості неметалів-органогенів.
4.1. Кисень
Кисень – це елемент, який би життя Землі. У атмосфері перебуває близько 20,8% кисню. Сталеві компоненти повітря - це переважаючий азот N2 (78,08%), а також Ar (0,93%), CO2 (0,02 - 0,04%), Ne (1,92 · 10-3%), He (5,24 · 10-4%), Kr (1,14 · 10-4%), H2 (5,0 · 10-5%), Xe (8,7 · 10-6%). Слід зазначити, що зміст кі-
слорода в атмосфері зберігається напрочуд постійним, незважаючи на всі окислювальні процеси дихання та горіння, що протікають на Землі. Головним фактором, що підтримує сталість вмісту кисню в атмосфері Землі, є фотосинтез, причому головний внесок роблять не наземні зелені рослини, а планктон і водорості світового океану, на частку яких припадає близько 80% кисню, що виділяється. Взагалі, життя Землі можливе лише у досить вузькому інтервалі вмісту кисню у атмосфері: від 13 до 30%. При вмісті кисню менше 13% аеробні істоти (тобто кисень, що використовують у своїй життєдіяльності) гинуть, а при вищому, ніж 30%, процеси окислення і горіння йдуть настільки інтенсивно, що може загорітися навіть мокра ганчірка, а перший удар блискавки спалив би все на Землі вщент.
Для численних живих організмів важливу частину метаболізму (обміну речовин) становить дихальний цикл, що призводить до швидкого утворення багатьох речовин. Так, у видихуваному повітрі, крім СО2, у невеликих кількостях містяться вуглеводні, спирти, аміак, мурашина кислота НСООН, оцтова кислота СН3 СООН, формальдегід НСНО, іноді ацетон (СН3 )2 СО. При диханні людини на висоті 10 км у розрідженому повітрі через нестачу в ньому кисню в суміші газів, що видихається, різко зростає вміст аміаку, амінів, фенолу, ацетону і навіть з'являється сірководень.
Без кисню неможливі численні та надзвичайно важливі життєві процеси, особливо дихання. Тільки небагато рослин і прості тварини можуть обходитися без кисню і тому звуться анаеробних. У живих організмах кисень витрачається на окислення різних речовин, причому головний процес – реакція кисню з атомами водню з утворенням води, у результаті якої виділяється значну кількість енергії. Аеробні організми отримують енергію також за рахунок окислення поживних речовин у клітинах та тканинах до СО2 , Н2 О,
(NH2)2 CO.
У процесі нормального дихання молекулярний кисень, що надходить у легені, відновлюється до води: О2 + 4Н+ + 4е 2Н2 О, причому іони Н+ разом з електронами вивільняються при втраті органічним субстратом організму атомів Н: [субстрат(4Н)] → 4Н + субстрат → 4 + + 4е + субстрат. При патології відбувається неповне відновлення: О2 + 2Н + + 2е Н2 О2 або О2 + е О2 -. Цей радикал називає-
ється супероксид-радикалом (СМР). Він може бути корисним, коли руйнує клітини, що безконтрольно ростуть, але може бути і дуже токсичним, коли руйнує клітинні мембрани здорових, необхідних організму клітин. Крім цього, шкідлива дія СМР полягає в тому, що він інактивує ферменти, деполімеризує полісахариди, викликає поодинокі розриви структури ДНК. У проміжному повільному одноелектронному відновленні О2 до СМР можуть брати участь будь-які речовини організму з відповідним потенціалом. При цьому утворюється Н2 О2, який у наступній стадії одноелектронного відновлення дає гідроксид-радикал ОНс високою реакційною здатністю, що швидко окислює будь-яку речовину клітини. Гідрофобна молекула О2 легко проходить усередину клітини через гідрофобні ліпідні мембрани та починає окислювати органічні речовини до радикалів О2 – та ВІН. Ці полярні радикали виявляються «замкненими» у клітці, тому що не можуть вийти назад через клітинні мембрани. Для погашення їхньої «агресивності» служать спеціальні ферменти супероксиддисмутаза, каталаза та пероксидаза. Крім цього є низькомолекулярні речовини – антиоксиданти (наприклад, вітаміни А та Е), які неферментативно знешкоджують ці небезпечні частинки. СМР, наприклад, активно зв'язується також іонами Fe(3+). Іноді виділення СОР корисно, наприклад, протипухлинні антибіотики (блеоміцин) утворюють комплекс з іонами металу Мn+, що каталізують швидке відновлення О2 до СОР, що знищує ДНК пухлини.
Алотропна модифікація кисню - озон О3. В атмосфері озон утворюється за фотохімічною реакцією О2 + О →hν→ О3 , причому активний атомарний кисень утворюється також завдяки реакції NO + O2 → NO2 + O . Корисна дія озону в атмосфері полягає в тому, що озон не лише поглинає біологічно активну і тим самим небезпечну частину ультрафіолетового випромінювання Сонця, а й бере участь у формуванні теплового режиму поверхні планети. Він затримує тепло, що йде від Землі, в тих спектральних інтервалах («вікна прозорості»), де СО2 і Н2 Про поглинають це тепло погано. Озон для людини дуже токсичний. Його гранично допустима концентрація (ГДК) у повітрі становить 0,5 мг/м3. Озон змінює структуру легень, пригнічуючи їх функції, тим самим знижуючи стійкість до респіраторних захворювань. Будучи сильним окислювачем (на 2-му місці після фтору), озон інтенсивно окислює амінокислоти та ферменти, що містять сірку
(цистеїн HSCH2 CH(NH2 )COOH, метіонін CH3 SCH2 CH2 CH(NH2 )COOH, а також триптофан C8 H6 NCH2 CH(NH2 )COOH, гістидин C3 H3 N2 CH(NH2 )COOH, тирозин HOC6 H4 .
Таким чином, молекулярний кисень О2 не токсичний для живих організмів на відміну від інших форм: озону О3, збудженої молекули О2, радикала ОН, атомарного О, радикала НО2, СОР О2 -.
4.2. Вуглець
Вуглець за своїм вмістом в організмі (21%) та значенням для живих організмів – один із найважливіших органогенів. Так як цей посібник присвячено саме біонеорганічної хімії, то ми не стосуватимемося органічних сполук живої природи, що є предметом вивчення біоорганічної хімії. Найпростіші сполуки вуглецю, наприклад, вільний вуглець у вигляді сажі та його оксид, токсичні для людини. Тривалий контакт із сажею або вугільним пилом викликає рак шкіри («хвороба сажотрусів», як її називали раніше). Найдрібніший пил вугілля викликає зміну структури легень, отже, порушує їх функції. Вкрай токсичний оксид СО, отруйна дія якого викликана тим, що СО зв'язується з гемоглобіном крові в ~10 3 разів легше, ніж кисень, і тому викликає ядуху.
Вуглекислий газ СО2 присутній у біосфері як продукт продуктів дихання та окислення. Щорічний викид СО та СО2 в атмосферу становить 2108 і 9109 тонн
відповідно (для порівняння викид вуглеводнів дорівнює 8107 тонн на рік). СО2 мало розчинний у воді, тому присутність його в біорідинах незначна. Однак у шлунку протікає важлива ферментативна реакція СО2 + Cl- + H2 O→ НCO3 - + H+ + Cl- , внаслідок чого в кислому середовищі розщеплюються білки. Зазначимо, що ферментів ця реакція протікає у зворотному напрямі.
4.3. Водень
Водень присутній у природі у вигляді води та численних органічних сполук (табл.1). Вода – основне середовище життєдіяльності організму. У ньому розчиняється більшість речовин, що у процесах метаболізму. Вміст води в органах та тканинах організму досить високий:
Таблиця 3
Тканина, орган, біо- |
||
рідина |
||
Головний мозок |
||
Спинний мозок |
||
Шлунковий сік |
||
Плазма крові |
||
Слізна рідина |
Фізіологічним середовищем для людини є 0,9% розчин NaCl. Вода має високу питому теплоємність і, внаслідок повільного теплообміну з навколишнім середовищем, забезпечує підтримку постійної температури тіла. При перегріві відбувається випаровування води із поверхні тіла. Через високу теплоту пароутворення води цей процес супроводжується витратами енергії, і температура тіла знижується. У водному середовищі за рахунок буферних систем (карбонатної, фосфатної та гемоглобінової) підтримується кислотно-основний баланс організму.
Як видно з табл.3, середнє значення рН організму відповідає рН фізіологічного розчину і коливається від 68 до 74. Однак, окремі органи та тканини можуть мати значення рН, що сильно відрізняються від фізіологічного. Так, у шлунку кислотність велика, і рН дорівнює 0,9 – 1,1. Це необхідно для того, щоб під дією ферменту пепсину, активного в кислому середовищі, йшло розщеплення пептидів білкової складової їжі. Жовч має слаболужну реакцію (рН 7,5 - 8,5), що необхідно для лужного гідролізу жирів.
4.4. Азот
Азот присутній у живих організмах у вигляді різноманітних органічних сполук: амінокислот, пептидів, пуринових основ та ін, а також у вигляді вільного N2, що надходить з повітрям, що вдихається. Кругообіг азоту в природі тісно зв'я-
зує геосферу та біосферу, підтверджуючи їх єдність. Існує безліч бактерій, здатних легко переводити одні сполуки азоту до інших, причому із зміною ступеня окиснення азоту. Так, наприклад, якщо в техніці синтез аміаку здійснюється в жорстких умовах, то в біосфері зв'язування атмосферного N 2 і його перетворення на NH3 протікає легшим ферментативним способом за участю нітрогенази:
N2 + 16ATP + 8e + 8H+ 2NH3 +16ADP +16[Р у неорганічних фосфатах] +Н2 , де АТР та АDP – аденозинтрифосфат та аденозиндифосфат відповідно, причому вважають, що вихідна АТР знаходиться у вигляді комплексу з Mg. Мікроорганізми, що беруть участь у цій реакції, присутні в кореневих бульбах деяких рослин, а також
в синьо-зелених водоростей. Фермент нітрогеназу, що містить білки, а також Мо та Fe, активний тільки в анаеробних умовах. Дослідження показали, що при відновленні-
ні N2 в NH3 не утворюються NH = NH і NH2 -NH2 . Це говорить про те, що на ферменті, ймовірно, діють 2 активні центри: на одному розщеплюється молекула азоту, а на іншому координований атом Н. У природі протікають інші взаємні перетворення
сполук азоту: нітрифікація або окислення NH3 до NO2, а також відновлення нітрат-іону з добрив під дією ферментів рослин або анаеробних бакте-
рій до NO2 або навіть до NH3. Неорганічні сполуки азоту, як правило, токсичні.
ні, за винятком простої речовини N2 і в невеликих кількостях N2 O. Щороку в атмосферу викидається ~ 5 · 107 тонн різних оксидів азоту NOx і ~ 107 тонн інших сполук азоту. Молекула NO, за сучасними уявленнями, незважаючи на кажу-
ну труднощі її утворення з найпростіших речовин, є у атмосфері у величезних кількостях. Вважають, що до 7107 тонн атмосферного N2 на рік реагують з О2 в результаті високотемпературних процесів, як то: спалювання палива в промисловості та робота транспорту. Показано, що оксиди азоту, як і озон, здатні взаємодіяти з продуктами неповного згоряння палива з утворенням високо-
сикових пероксонітратів RСОООNO2. Під дією сонячної радіації у верхніх шарах атмосфери протікають фотохімічні реакції за участю NOx, які каталізуються твердими частинками пилу, що містяться там. В організмі людини NO
утворюється в кількості ~100 мг на добу з аргініну за реакцією: NH=C(NH2 )- NH(CH2 )3 CH(NH2 )COOH + 3/2O2 →фермент NO-синтетазу → H2 NCONH(CH2 )3 CH(NH2 ) COOH +2NO + H2 O. Відомо, що молекули NO здатні проникати в клітини стінок кровоносних судин та регулювати кровотік; крім того, NO контролює секрецію інсуліну, ниркову фільтрацію, репаративні процеси.
в тканинах та ін. Таким чином, NO – дволика молекула, що виявляє як токсичну, так і безперечно корисну дію. Наприклад, при прийомі такого поширеного кардіологічного препарату, як нітрогліцерин відбувається гідроліз його з утвореннямнітрат-іона, який відновлюється залізом гемоглобіну до NO, а потім саме NO викликає розслаблення гладких м'язів судин. Інші оксиди азоту
NO2 , N2 O3 сильно токсичні і здатні викликати задуху та набряк легень. Особливо токсичний нітрит-іон NO2 - тому, що він окислює метгемоглобін і порушує процес перенесення О2 в організмі. Крім цього, нітрит-іон утворює в шлунку канцерогенний нітрозоамін. Однак, NaNO2 застосовували раніше як судинорозширювальний засіб при стенокардії та спазмах судин головного мозку. Останнім часом від NaNO2 через його безперечну токсичність відмовилися, замінивши його нітрогліцерином або нітросорбі-
ті, які не мають таких побічних ефектів. Вдихання парів аміаку NH3 у великих кількостях шкідливе, тому що аміак створює сильнолужне середовище на поверхні слизових оболонок гортані та легень, що викликає їх роздратування та набряк.
Крім того, невеликі молекули NH3 легко проникають через клітинні мембрани і стають конкурентами багатьох лігандів у координації з іонами металів.
