99462

Біогенні елементи. Біогенні d – елементи. Комлексні сполуки

Лекция

Химия и фармакология

У живих організмах тварин і людини виявлено понад 80 хімічних елементів, біогенність нині доведена для 28 з них. Біогенні елементи – це хімічні елементи, що постійно містяться в та беруть участь у біохімічних процесах живих організмів. Дослідженням їх вмісту в організмі

Украинкский

2016-09-18

110.5 KB

0 чел.

Лекція № 1

Тема: «Біогенні елементи»

1. Хімічний склад живих організмів. Вчення В.І.Вернадського про біосферу.

2. Макро- та мікроелементи

3. Біогенні s- та р –елементи: будова атомів, властивості, біологічна роль та медичне застосування.

1. У живих організмах тварин і людини виявлено понад 80 хімічних елементів, біогенність нині доведена для 28 з них. Біогенні елементи – це хімічні елементи, що постійно містяться в та беруть участь у біохімічних процесах живих організмів. Дослідженням їх вмісту в організмі, з΄ясуванням біологічної ролі займалися багато вчених – природознавців, зокрема В.Вернадський. Він встановив, що кількісний та якісний склад хімічних елементів у живих організмах значною мірою залежить від вмісту їх у навколишньому середовищі. В.І.Вернадський заснував новий напрям в науці – біогеохімію, що вивчає роль мінеральних речовин у життєдіяльності організмів та вплив організмів на зміни грунтів і вод.

2. Живий організм вибірково асимілює з біосфери певні хімічні елементи. Концентрація елементів у живій речовині прямо пропорційна вмісту їх у довкіллі з урахуванням розчинності сполук цього елемента у воді. Таким чином, за допомогою природного добору визначились хімічні елементи, які є незамінними компонентами існування і функціонування живих організмів. Вони входять до складу різних біологічних систем і відіграють у них певну фізіологічну роль. Це елементи – органогени: C, H, O, N, P, S. Вони складають 97,3% загальної маси організму, оскілки входять до складу білків, жирів, вуглеводів, ферментів, гормонів, нуклеїнових кислот і води, яка об’єднує всі частини організму в єдине ціле. Залежно від кількісного вмісту в організмі всі біогенні хімічні елементи розподіляються на макро-, мікро- та ультрамікроелементи.

Мікроелементи. Масова частка в організмі від 0,01% і більше. До них відносяться, крім перелічених вище елементів органогенів: Na, K, Ca, Mg, Cl. Макроелементи виконують роль пластичного матеріалу в побудові кісткових тканин, підтримують певні значення осмотичного тиску, рН середовища біологічних рідин, кислотно-основну рівновагу.

Мікроелементи. Входять до складу організму в менших кількостях – від 10-3 до 10-6 %: Fe, Zn, Mn, Co, Se, I, Br, F та інші. Мікроелементи входять до складу багатьох ферментів, деяких вітамінів і гормонів, беруть участь в процесах кровотворення, розмноження, росту та обміну речовин.

Якщо масова частка елемента в організмі становить менше ніж 10-6 %, то їх відносять до ультрамікроелементів, або слідових (Au, Hg, Th)

3. Основою для вивчення властивостей біогенних елементів є відкритий Д.Менделєєвим періодичний закон і створена ним періодична система елементів. Розглянемо основні хімічні властивості та біологічну роль елементів, що входять до складу організму, використавши їх класифікацію на родини s- , р- , d- елементи.

Будова атомів та хімічні властивості s-елементів: Na, K, Ca, Mg

Біометали з родини s – елементів знаходяться у верхній лівій частині періодичної системи у головних підгрупах I та II групи. Вони постійно містяться в організмі тварин і людини в макрокількостях і є життєво необхідними.

Атоми цих біогенних елементів мають на зовнішньому шарі по одному (елементи I групи – Na, K) або по два s- електрони (елементи IIгрупи – Ca, Mg). Електронна конфігурація, наприклад, +11 Na 1s22s22p63s1. Елементи, що мають на зовнішньому енергетичному рівні s- електрони, називаються s- елементами.

Вони легко віддають ці електрони і перетворюються на позитивно заряджені катіони. Переважно в катіонному стані вони й трапляються в живих організмах: Na0 – e → Na+ , Mg0 – 2e → Mg2+ Ступінь окиснення цих атомів, як і валентність, є сталими. Віддаючи електрони, атоми цих елементів виявляють сильні відновні властивості. Це видно на прикладі їх взаємодії з неметалами – киснем, галогенами та іншими, зокрема: Ca + Br2 = CaBr2 Ca0– 2e → Ca2+ Br02 + 2e → 2Br- відновник окисник Отже, найхарактернішою ознакою металів головних підгруп I та II групи є їх висока хімічна активність, особливо в реакціях відновлення.

Йони Калію і Натрію практично не вступають у реакції комплексоутворення, а йони Магнію та Кальцію з амінокислотами та порфіринами утворюють хелатні комплекси.

Більшість сполук s – елементів добре розчиняються у воді. Це: оксиди (K2O,MgO), пероксиди (H2O2, K2O2), основи (KOH,Mg(OH)2), солі (NaCl, NaHCО3).

Біологічна роль s – елементів

Натрій і Калій – дуже важливі життєво необхідні елементи, які містяться в плазмі крові, лімфі. Найбільше Калію в печінці, нирках, серці, м’язах та в мозку. Загальний вміст Калію в організмі дещо більший від Натрію. Основна біологічна функція розчинних у воді сполук s – елементів полягає у підтриманні водно – електролітного балансу. Йони К+ та Na+ необхідні живим організмам для генерування біопотенціалів у нервовій системі, м’язах та секреторної тканини, а також для регулювання роботи серцевого м’яза (міокарда).

Важливо знати, що йони натрію Na+ є основними позаклітинними йонами, а Калію К+ - внутрішньоклітинними. Так, концентрація йонів Калію всередині клітини в 35 разів вища, ніж у позаклітинній рідині, а йонів Натрію, навпаки, - в 14 разів більша в позаклітинному середовищі, ніж в середині клітини. Такий нерівномірний розподіл йонів Калію та Натрію по обидві боки клітинної мембрани є причиною виникнення біопотенціалів у клітинах. А за рахунок цього, а також внаслідок роботи калій – натрієвої помпи, відбувається створення імпульсів у нервових клітинах та регулювання роботи серцевого м’яза. Крім того, йони Натрію сприяють скороченню м’язів, а Калію, навпаки, - їх розслабленню.

Натрій хлорид NaCl, що постійно надходить в організм з їжею, є джерелом хлоридної кислоти – важливого компонента шлункового соку, а натрій гідроген карбонат NaHCO3 разом з вуглекислим газом CO2 – буферною сумішшю, яка значною мірою підтримує кислотно – основну рівновагу організму. Необхідно зазначити, що для нормального функціонування окремих органів, зокрема роботи серця, потрібна не лише певна концентрація йонів Калію, Натрію, Кальцію і Магнію в крові, але й відповідне кількісне співвідношення цих йонів.

Йони Кальцію Са2+ постійно містяться в організмі людини та тварин у макрокількостях. Вони необхідні для побудови тканин, оскільки мінеральні солі Кальцію - фосфати - є основою кісткової тканини, фториди – емалі зубів. У плазмі крові йони Кальцію перебувають у зв’язаному з білками стані та у вигляді вільних йонів. Вони підтримують нормальну здатність крові до згортання, впливають на кислотно – основний стан біологічних рідин, виявляють протизапальну дію. Крім того, йони Кальцію регулюють поділ клітин, відіграють важливу роль у функціонуванні серцевого м’яза, гальмують збудження ЦНС. Нестача Кальцію в організмі призводить до нервових розладів.

Сполуки Магнію (Mg ) містяться у внутрішньоклітинних рідинах, кістках скелета та емалі зубів. Залежно від концентрації в організмі Магній може прискорювати або гальмувати процес передачі імпульсів по нервових волокнах. Він також впливає на дихальні, судинорухові та інші мозкові центри і діє заспокійливо на нервову систему загалом, знижує артеріальний тиск. Магній входить до складу багатьох ферментів та є їх незамінним компонентом та активатором.

Багато Магнію є в листках рослин, де у формі катіона Mg2+ він входить до хелатного комплексу – хлорофілу, який бере участь у процесі фотосинтезу.

Медичне застосування сполук s – елементів.

Препарати Натрію: натрій хлорид NаCl застосовують для приготування ізотонічного (0,9%) та гіпертонічного (10%) розчинів; натрій гідроген карбонат NaНСО3 – це антацидний засіб, який використовують для нейтралізації високої кислотності шлункового соку.

Препарати Калію: калій бромід KBr використовують як заспокійливий засіб; калій ацетат СН3СООК – як сечогінний препарат при набряках, викликаних порушенням кровообігу; калій йодид KJ знаходить застосування для лікування зобу, катаракти.

Препарати Магнію: магній сульфат MgSO4∙7H2O застосовують як заспокійливий і протисудомний засіб для внутрішньовенного введення, а при внутрішньому вживанні – як проносний і жовчогінний. Тальк 3MgO∙4SiO2∙H2O – використовують для виготовлення різних присипок і мазей.

Препарати Кальцію: кальцій хлорид CaCl2∙6H2O в розчинах використовують як протизапальний, протиалергічний та кровоспинний засіб; кальцій глюконат або кальцій лактат застосовують з тією самою метою, що й кальцій хлорид, проте ці препарати мають м’якший вплив на організм. Кальцій сульфат у вигляді півгідрату 2CaSO4∙H2O (алебастр, медичний гіпс) використовується для накладання гіпсових повязок в хірургії.

Будова атомів біогенних р-елементів

Елементи, в яких відбувається остаточне заповнення електронами р – орбіта лей, називають р – елементами. До біогенних р-елементів належать елементи головних підгруп I –VII груп періодичної системи: III – В, Al; IV – C, Si, Sn, Pb; V – N, P, As; VI – O, S, Se ; VII – F, Cl ,Br, J.

Наприклад: +13 Al 1s22s22p63s23p1 ; +14 Si 1s22s22p63s23p2 ; +15P 1s22s22p63s23p3 ; +8 O 1s22s22p4 ; +17 Cl 1s22s22p63s23p5

Для медичних працівників важливо знати, що з біологічної точки зору п’ять р-елементів C, O, N, P, S відносяться до елементів – органогенів, які відіграють дуже важливу роль у живих організмах.

Властивості та біогенна роль органогенних елементів (C,H,O,N,S,P)

Карбон (С). Цьому елементу належить головна роль в утворенні біосистем. Електронна конфігурація Карбону: +6 С 1s22s22p2 ; Чотири валентних електрони у збудженому стані розміщені на 2s12p3 орбіталях, здатних до гібридизації, утворюють міцні енергоємні зв’язки – прості, подвійні або потрійні. Вони сполучаються між собою у лінійні, розгалужені та циклічні структури – органічні сполуки. Нині кількість органічних сполук, що існують у природі або одержані синтетичним способом, налічує понад 10 млн. До них належить і велике число біоорганічних сполук – біополімерів (білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи), біорегуляторів (ферменти, гормони, вітаміни). Вони є об’єктом дослідження біоорганічної хімії, яка вивчає хімічну будову і властивості сполук Карбону, що входять до складу організмів.

У хімічних сполуках Карбон може виявляти різні ступені окиснення: - 4 (СН4, SiC), 0 (Cгр,Cалмаз), +2 (CO, HCN),+4 (CO2, H2CO3 та ін.) У зв’язку з тим, що від’ємні с.о. переважно характерні для органічних сполук, ми розглянемо сполуки Карбону неорганічної форми.

Неорганічними сполуками Карбону є його оксиди (СО і СО2), карбонатна кислота Н2СО3 та її солі (карбонати та гідрогенкарбонати), ціанідна кислота HCN та її солі – ціаніди та ін.

Карбон (II) оксид, або чадний газ СО – це безбарвний, дуже отруйний газ, який одержують при неповному згорянні різних видів палива: 2С + О2 = 2СО

З гемоглобіном крові карбон (II) оксид утворює карбоксигемоглобін – стійку комплексну сполуку, яка на відміну від гемоглобіну не може зв’язувати і переносити кисень від легень до тканин. Тому вже при незначній концентрації СО в повітрі (0,07%) наступає отруєння людини.

Ціанідна кислота та її солі - ціаніди – дуже отруйні сполуки. Навіть у мізерних дозах вони смертельно діють на організм (смертельна доза – 0,05г). Проте у мікрокількостях ціанід-іони утворюються в організмі і використовуються ним для побудови деяких біоструктур, зокрема вітаміну В12.

Важливою сполукою є карбон (IV) оксид СО2 (вуглекислий газ), який є кінцевим продуктом біологічного окиснення в клітинах різних біосубстратів – глюкози, ліпідів та, в меншою мірою, білків. У хімічному відношенні СО2 – кислотний оксид, ангідрид карбонатної кислоти Н2СО3. Ця кислота слабка, двохосновна і утворює два види солей: карбонати та гідрогенкарбонати. В плазмі крові знаходяться гідрогенкарбонати НСО3-, які в суміші з карбонатною кислотою утворюють буферну систему крові.

Гідроген (Н) та Оксиген (О). В організмі людини міститься близько 10% мас. Гідрогену і 62,4% Оксигену. Основна маса цих елементів знаходяться у зв’язаному стані з іншими неметалами - Карбоном, Нітрогеном, Фосфором, Сульфуром у складі біологічно активних речовин. Клітини використовують енергію електронів Гідрогену на утворення високоенергетичних сполук, наприклад молекул АТФ. Особливо велике значення для функціонування біосистем має Оксиген. Як елемент-органоген він входить до складу значного числа органічних біомолекул – білків, жирів, ліпідів, нуклеїнових кислот, ферментів, вітамінів та ін. і займає перше місце за вмістом в організмі. Без кисню (О2) не може функціонувати жодна клітина живого організму, оскільки він бере участь у всіх видах обміну речовин. В окисно-відновних реакціях, що відбуваються в організмі, кисень виступає окисником.

Кисень, необхідний для здійснення одного з найважливіших життєвих процесів – дихання, потрапляє у легені, звідки швидко дифундує в кров, зв’язується з гемоглобіном і формі оксигемоглобіну розноситься кров’ю до всіх органів і тканин. Основна його маса, потрапивши до клітин, сполучається з органічними субстратами і перетворюється на воду, а частково й на гідроген пероксид Н2О2, який бере участь в процесах захисної бактерицидної дії лейкоцитів.

Отже, хімічні елементи – органогени Гідроген і Оксиген – носії окисно-відновних властивостей в живих організмах. Вони відіграють важливу роль в обміні речовин та енергії, оскільки найбільша кількість енергії в організмі виробляється за рахунок окисно-відновних реакцій, які називають біологічним окисненням.

Нітроген (N) входить до складу молекул багатьох біологічно активних речовин – білків, вітамінів, гормонів, нуклеїнових кислот та ін. Він є обов’язковою складовою частиною усіх білків, відіграє важливу роль в обміні речовин.

Нітроген у сполуках виявляє ступені окиснення від -3 (амоніак, солі амонію) до +5 (нітратна кислота, нітрати).

Ступінь окиснення

-3 0 +1 +2 +3 +4 +5

Приклади

сполук

NH3 N2 N2O NO N2O3 NO2 N2O5

NH4OH HNO2 HNO3

NH4Cl NaNO2 NaNO3

Молекулярний азот N2 характеризується високою стійкістю завдяки потрійному ковалентному зв’язку в молекулі, отже, азот є малоактивною сполукою. Проблема зв’язування атмосферного азоту (фіксації азоту) є дуже важливою, оскільки він є необхідними елементом життя.

Найважливішою сполукою Нітрогену з Гідрогеном є амоніак NH3 – безбарвний газ із специфічним запахом, добре розчиняється у воді, утворюючи амоній гідроксид: NH3 + HOH ↔ NH4OH. У медичній практиці застосовують водний 10%-ний розчин, який називається нашатирним спиртом.

Важливими сполуками Нітрогену, що викликають інтерес з точки зору їх участі в біохімічних процесах, є аніони нітритної кислоти HNO2 та нітратної кислот HNO3. Солі цих кислот потрапляють в організм із продуктами харчування і в надмірних дозах токсичні.

Сульфур (S) – хімічний елемент VI групи третього періоду періодичної системи з електронною конфігурацією [X]3s23p43d0. Він має від’ємні і додатні ступені окиснення: -2, 0, +2, +4, +6 Неорганічною сполукою Сульфуру зі ступенем окиснення -2 є гідрогенсульфід H2S (сірководень). Це отруйний газ з неприємним запахом тухлих яєць, розчинний у воді. Його розчин у воді називається сульфідною кислотою H2S.

У живих організмах Сульфур знаходиться у складі сполук зі ступенем окиснення -2, переважно в амінокислотах (цистеїн, цистин, метіонін), білках, ліпідах, а також у деяких вітамінах (В1) та біорегуляторах (інсулін). У невеликих кількостях до складу фізіологічних рідин входять і сульфат-іони SO42- Найбільше Сульфуру міститься у креатині, волоссі, кістках та нервовій тканині.

Фосфор (Р) має будову зовнішнього енергетичного рівня [X]3s23p33d0, його ступені окиснення: -3, 0, +3, +5. Найстійкішими є сполуки Фосфору (V), серед яких біологічне значення мають солі ортофосфатної кислоти Н3РО4 – фосфати.

Фосфор називають «елементом життя і мислення», оскільки він відіграє істотну роль в обміні речовин і енергії. У вигляді фосфат-іонів входить до складу нуклеїнових кислот (ДНК, РНК). Особлива роль належить молекулі АТФ, яка є джерелом і акумулятором енергії в організмі.

Неорганічні дигідрогенфосфат Н2РО4- та гідрогенфосфат НРО42- – іони входять до складу буферної системи крові, яка значною мірою забезпечує стале значення рН внутрішнього середовища живого організму. Крім того, фосфор є основною складовою частиною кісток і зубів.

До важливих органічних сполук Фосфору належать і такі біологічно активні речовини як: креатин фосфат, фосфопротеїни, фосфоліпіди клітинних мембран та ін. Добова потреба організму у Фосфорі становить 1,0-1,3 г. При його нестачі, особливо у комплексі з Кальцієм та вітаміном D, розвивається рахіт.

Лікарські засоби, що містять елементи-органогени

Сполуки Гідрогену та Оксигену. Найважливішою й дуже поширеною в природі сполукою Гідрогену є вода, оскільки три чверті земної поверхні вкриті водою. Вода є добрим розчинником багатьох органічних і неорганічних речовин. Загальний вміст води в організмі (у розрахунку на середню масу тіла 70 кг) становить 42 кг або 60%). Причому 2/3 цієї кількості знаходиться у внутрішньоклітинних рідинах, а решта – в позаклітинних. Утрата організмом 2/3 позаклітинної води є смертельною у зв’язку з порушенням нормального електролітного балансу.

У медичній практиці використовують очищену (дистильовану) воду для приготування лікарських форм у розчинах та воду для ін’єкцій.

Гідроген пероксид у вигляді концентрованого розчину з масовою часткою Н2О2 30% (пергідроль) застосовують для лікування гнійних ран, а 3%-ний розчин використовують як дезинфікуючий засіб для промивання ран та полоскання при ангіні, стоматитах тощо.

Сірка і сполуки Сульфуру. Очищена сірка має протимікробну і протигельмінтну дію, пригнічує життєдіяльність глистів і сприяє виведенню їх з організму. Знаходить застосування у дерматології для лікування деяких шкірних захворювань.

З групи сульфаніламідних препаратів у медичній практиці як протимікробні засоби використовують стрептоцид, норсульфазол, етазол, сульфазин та ін.

Сполуки Нітрогену використовують у вигляді естерів нітратної кислоти – нітрогліцерин, нітросорбід, сустак. Це коронаролітики, що здатні розширювати спазмовані судини серця, і тому їх використовують для лікування серцевих захворювань. Із неорганічних сполук Нірогену в медичній практиці використовують також нітроген (I) оксид N2O, або «веселильний газ». У малих дозах він викликає стан сонливості і сп’яніння, а у більших – наркоз. Нашатирний спирт NH4OH використовують як збуджуючий засіб при непритомному стані.

Сполуки Фосфору, зокрема аденозинтрифосфат (АТФ) широко вживають як енергетичний препарат при дистрофії м’язів, атонії внутрішніх органів та міокардіодистрофії. Кальцій гліцерофосфат – це загальнозміцнюючий і тонізуючий засіб при перевтомах, виснаженні нервової системи, рахіті. Добре стимулює кровотворення, посилює ріст і розвиток кісткової тканини, поліпшує функцію нервової системи органічний препарат Фосфору, який називається фітином. Малорозчинні фосфати цинку та алюмінію застосовують у стоматології.

Лекція № 2

Тема: Біогенні d – елементи. Комлексні сполуки»

1. Біогенні d-елементи.

2. Комплексні сполуки.

1. Біогенні d – елементи (Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Ni, Cr, Mo) З великої групи d – елементів до біогенних відносять вісім найважливіших, концентрація яких в організмі достовірно встановлена і їх специфічна фізіологічна роль доведена. Ці елементи входять до складу великої кількості металоферментів, яких нині відомо близько 300, а також вітамінів.

Біологічна роль хімічних елементів визначається в першу чергу будовою електронних оболонок їх атомів. d- елементи ще називають перехідними елементами, оскільки вони мають змінні ступені окиснення. Із перелічених вище біоелементів тільки Цинк, маючи завершену 18 електронну оболонку, характеризується сталим значенням ступеня окиснення +2, і тому він не належить до перехідних елементів.

Від будови атомів залежать хімічні властивості як саме елементів, так і їхніх сполук. Ці властивості виявляються в здатності d – елементів вступати у різноманітні хімічні реакції: кислотно – основні, окисно- відновні, комплексоутворення тощо.

Кислотно – основні властивості. Оксидам з нижчим ступенем окиснення відповідають основи, з вищим – кислоти, а з проміжним – і основи і кислоти. Наприклад, кислотно – основні властивості сполук Хрому залежно від його валентності змінюються так:

CrO → Cr(OH)3 ; Cr2O3 → Cr(OH)3 = H3CrO3 ; CrO3 → H2CrO4 ↔ H2Cr2O7

Хром(II) Хром(II) Хром(III) Хром(III) Хромітна Хром(VI) Хроматна Дихроматна Оксид гідроксид оксид гідроксид кислота оксид кислота кислота

Сполуки Цинку і Хрому (III) виявляють типові амфотерні властивості (здатність взаємодіяти як з кислотами, так і основами):

Як основа: Як кислота:

ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O ZnO + 2KOH(р-н) + H2O = K2[Zn(OH)4]

Zn(OH)2 + 2HCl = ZnCl2 + 2H2O Zn(OH)2 + 2KOH (р-н) = K2[Zn(OH)4]

До кислотно – основних процесів належать також реакції гідролізу солей. Оскільки солі d – елементів утворені катіонами слабких малорозчинних основ – Fe(OH)2, Fe(OH)3, Zn(OH)2, Cu(OH)2, Cr(OH)3 тощо, то практично всі розчинні у воді солі підлягають гідролізу. Внаслідок гідролізу утворюються основні солі і кислота, яка й надає розчину кислотної реакції рН < 7. Здатність речовин до гідролізу враховують при розробці лікарських форм медичних препаратів: якщо внаслідок гідролізу солей відбувається утворення малорозчинних продуктів, то стає практично неможливим засвоєння їх організмом.

Окисно – відновні властивості пов’язані зі здатністю елементів та їх сполук віддавати або приєднувати електрони, тобто змінювати в процесі реакції ступінь окиснення. Перехідні елементи мають незавершену d – електронну оболонку: +25 Mn …3d54s2 і тому ступінь окиснення їх сполук є змінним: +2, +4, +6, +7.

Висновки щодо окисно-відновних властивостей d – елементів:

Катіони металів з найменшим значенням ступенів окиснення виступають в і д н о в н и к а м и (віддають електрони ):

2MnSO4 + 5PbO2 +6HNO3 = 2HMnO4 +2PbSO4 + 3Pb(NO3)2 +2H2O

Відновник : Mn2+ - 5e- → Mn7+ реакція окиснення

Окисник: Pb4+ + 2e- → Pb2+ реакція відновлення

Катіони металів або елемент у складі аніона з найбільшим значення ступеня окиснення виступають о к и с н и к а м и (приймають електрони):

2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O = 2MnO2↓ + 3Na2SO4 + 2KOH

Окисник: Mn7+ + 3e- → Mn4+ реакція відновлення

Відновник: S4+ - 2e- → S6+ реакція окиснення

Елемент у складі катіона чи аніона з проміжним ступенем окиснення виявляє двоякі функції – окисника і відновника:

Наприклад, Mn4+O2 при взаємодії з хлоридною кислотою виступає окисником, а при взаємодії з хлоратною кислотою – відновником:

MnO2 + 4HCl (конц) = Cl2 + MnCl2 + 2H2O ; | Mn4+ + 2e-→ Mn2+

3MnO2 + HClO3 + 6KOH = 3KMnO4 + KCl +3H2O; | Mn4+ - 3e- → Mn7+

d – елементи з вищим значенням ступенів окиснення існують переважно в формі аніонів, а з нижчим – у формі катіонів: CrO42- і Cr3+; MnO4- і Mn2+ .

Реакції комплексоутворення. Усі d – елементи мають велику здатність до утворення комплексних сполук з різними біолігандами – білками, вітамінами, порфіринами тощо, оскільки мають вільні атомні d -орбіталі і виступають акцепторами в реакціях комплексоутворення: CuSO4 + 4NH3 = [Cu(NH3)4]SO4

Біологічна роль d–елементів та їх сполук, медичне застосування.

Ферум (Fe). Йони Феруму (II) та Феруму (III) мають важливе значення для життєдіяльності організму людини. Вони необхідні для процесів кровотворення, нормальної діяльності багатьох ферментів, перенесення кисню від легень до тканин, а також електронів у ланцюзі дихання. Загальний вміст Феруму в організмі становить 4-5г, причому 60 – 70% загальної маси цього елемента міститься в еритроцитах та нервових клітинах. Йони Феруму, що містяться в біосистемах, поділяють не гемові й негемові. Ферум (II), що входить до складу порфіри нових комплексів – гемоглобіну, метгемоглобіну, цитохромів, називають гемовим, а в складі всіх інших біологічно активних сполук – феритину, лактоферину тощо – негемовим.

Йони Феруму (III) входять до складу і таких важливих ферментів, як каталаза та пероксидаза. Каталаза захищає клітини від токсичної дії гідрогенпероксиду, а пероксидаза каталізує процеси окиснення різних органічних субстратів гідроген пероксидом.

Враховуючи велике значення йонів Fe(II) і Fe(III) для організму людини, добова потреба в ньому становить 20 – 30 мг. Цей біоелемент в достатній кількості міститься в різноманітних продуктах харчування (хліб пшенічний, крупа гречана, шпинат, яйця). У разі нестачі в організмі сполук Феруму розвиваються різні захворювання крові, так звані ферумдефіцитні анемії, внаслідок яких зменшується як загальна кількість еритроцитів, так і вміст у них гемоглобіну. Для лікування цих захворювань у медицині використовують різні препарати, що містять Ферум – фероплекс, фероплект, фероцерон та інші. У разі хронічної інтоксикації сполуками Феруму виникає хврорба під назвою «сидероз».

Купрум (Cu). Відомо більше 30 різних білків і ферментів, у складі яких виявлено йони Купруму (I) або Купруму (II), які, подібно до Феруму, виконують функцію перенесення кисню та електронів в окисно-відновних процессах.

У незначних кількостях Купрум міститься у клітинах майже всіх органів людини, проте переважно концентрується в печінці та головному мозку. Рівень цього мікроелемента змінюється при інфекційних захворюваннях мозку (зокрема енцефаліті, шизофренії та епілепсії). Тому сполуки Купруму використовують для зниження збудження ЦНС при психічних захворюваннях. Загальна потреба дорослої людини в цьому біоелементі становить 2-3 мг на добу. Вміст Купруму поповнюється за рахунок харчових продуктів, особливо круп, гороху, хліба, грибів, журавлини, м’яса та ін. При надлишку Купруму в організмі він нагромаджується в тканинах і викликає токсикоз (хворобу Вільямса).

Цинк (Zn) – один з найпоширеніших мікроелементів організму, оскільки займає друге місце після Феруму. За своїми фізико-хімічними характеристиками Цинк значно відрізняється від перехідних біметалів, оскільки в сполуках виявляє сталий ступінь окиснення +2 і характеризується високою здатністю до координації з амінними та сульфгідрильними групами, що й реалізується в біосистемах під час утворення металоферментів. Цинк входить до складу активних центрів понад 40 різних ферментів.

Цинк відіграє важливу роль у функціонуванні клітин головного мозку, тому його використовують для лікування психічних захворювань. Оскільки він сприяє загоєнню ран, то цинкові мазі здавна використовуються у дерматології. Біологічна роль Цинку значною мірою пов’язана з функціонуванням залоз внутрішньої секреції, в яких він концентрується. Вважають, що передміхурова залоза добре функціонує при достатній кількості Цинку в організмі. Крім того, йони Цинку істотно впливають на здатність інсуліну знижувати рівень глюкози в крові.

Здатність Цинку підвищувати загальний енергетичний рівень біохімічних процесів та посилювати захисні реакції організму відкриває перспективи застосування його як стимулятора багатьох фізіологічних процесів.

Манган (Mn) – важливий мікроелемент для життєдіяльності організму. Він міститься в організмі у вигляді катіонів (Mn2+ , Mn3+ , Mn4+ ), які в окисно-відновних реакціях переходять від одного ступеня окиснення до іншого. Йони Мангану необхідні для росту , утворення кісток, збереження репродуктивної функції організму, метаболізму глюкози та ліпідів, а також активування деяких ферментів. Переважно входить до складу ферментних систем, які прискорюють окисно-відновні реакції внутрішньоклітинного обміну речовин. Отже, ферменти, що містять Манган, каталізують складні процеси клітинного дихання, посилюють обмін вуглеводів, жирів, сприяють синтезу вітаміну С та обміну вітамінів групи В та Е. В організмі людини міститься приблизно 20 мг Мангану, причому в кістках – 43%, а решта – в тканинах і мозку. Він входить до складу продуктів харчування – крупи, борошно, малина, смородина, журавлина, капуста, горіх та ін..

При дефіциті цього мікроелемента порушується фосфорно-кальцієвий обмін, що призводить до виникнення рахіту, як і при нестачі в організмі вітаміну D. Манган прискорює процес утворення антитіл, які знешкоджують чужі для організму білки (віруси, бактерії), посилює синтез гормонів щитоподібної залози, позитивно впливає на засвоєння йоду. Враховуючи багатогранну фізіологічну дію Мангану, його сполуки використовують у медичній практиці при невритах (у комплексі з полівітамінами) і в разі захворювання кровотворних органів (разом зі сполуками Кобальту та Купруму). Завдяки протимікробним властивостям калій перманганату KMnO4 його використовують у вигляді розбавлених розчинів як антисептичний засіб для промивання ран, а також в разі отруєння шлунку.

Кобальт (Со). В організмі людини міститься дуже мало Кобальту (всього 1,2 мг), але його біологічна роль достатньо вивчена. Як незамінний мікроелемент він входить до складу металопротеїнів, які знаходяться в тканинах внутрішніх органів: печінки, нирок, підшлункової залози, а також в еритроцитах крові. Його біологічна роль пов’язана з функціонуванням деяких ферментів і гормонів, зокрема, Кобальт бере участь у синтезі гормонів щитоподібної залози, активує ферменти. Кобальт (II) – іон утворює складний халатний комплекс, який називається вітамін В12. Ця сполука є протианемічним засобом, оскільки впливає на утворення еритроцитів та синтез гемоглобіну в крові. Під впливом Кобальту посилюється всмоктування Феруму з кишок і використання його в процесах утворення гемоглобіну.

Молібден (Мо) є одним із важких металів, виявлених в організмі людини . Основна біологічна функція, яку виконує цей мікроелемент, полягає у зв’язуванні неорганічного азоту. Зв’язаний азот використовується в процесах біосинтезу білків, нуклеїнових кислот, ферментів та інших нітрогеновмісних органічних сполук. Дуже важливим чинником є баланс Молібдену в організмі. У мікродозах його сполуки впливають на імунний захист організму. При підвищенні рівня Молібдену розвивається подагра, яка зв’язана з утворенням і відкладенням сечової кислоти в тканинах, що призводить до деформування суглобів.

Хром (Cr). Цей біоелемент, що за вмістом в організмі належить до мікроелементів, відіграє важливу роль у функціонуванні біосистем. Він впливає на обмін вуглеводів, ліпідів та нуклеїнових кислот, активує дію інсуліну, входить до складу ферментів. Доведено, що вміст Хрому у крові знижується при старінні або виснаженні організму. Поліпшуючи загальний обмін речовин, його сполуки сповільнюють процес старіння організму. У медичній практиці для лікування діабету використовують препарати Хрому, які додають до комплексних препаратів з мікроелементами та полівітамінами. Багаті на Хром такі продукти харчування, як чай, шпинат, оселедці, вівсяна крупа, печінка, яловичина. Надлишок цього елемента в організмі викликає пошкодження легеневої тканини та розвиток злоякісних пухлин.

2. Роль комплексних сполук у біохімічних процесах дуже велика, адже переважна більшість хімічних елементів міститься в органах і тканинах у вигляді комплексів з різними біомолекулами. До комплексних сполук відносяться електроліти, до складу яких входить комплексний йон. Комплексні сполуки утворюються сполученням середніх солей в більш складні системи. Такі реакції називаються реакціями комплексоутворення Fe(CN)2 + 4KCN → K4[Fe(CN)6] Комплексна сіль K4[Fe(CN)6] дисоціює у водному розчині на катіон калію та комплексний аніон: K4[Fe(CN)6] ↔ 4K+ + [Fe(CN)6]4- Комплексні іони можуть бути як позитивно зарядженими (катіонами), так і негативно (аніонами).

Згідно теорії А.Вернера, комплексний йон складається з центрального йона або комплексоутворювача, и зв’язаних з ним йонів або молекул, які називаються адендами або лігандами.

Комплексоутворювачем майже завжди є катіон металу, а лігандами найчастіше молекули NH3, H2O та аніони CN-, NO2-, OH- та інші. Число лігандів, що утримуються комплексоутворювачем, називається координаційним числом. Комплексоутворювач разом з лігандами утворює внутрішню сферу комплекса (комплексний йон), заключається в квадратні скобки. Йони, що входять до складу комплексної солі і утримуються комплексним йоном – зовнішня сфера комплексу.

Номенклатура. Комплексні (координаційні) сполуки називають за систематичною номенклатурою за певними правилами.

КС з комплексним катіоном (катіонні)

КС з комплексним аніоном

(аніонні)

Електронейтральні КС

[Ag(NH3)2]Cl

Діамінаргентум хлорид

K3[Fe(CN)6]

Калій гексаціаноферат(III)

Fe(CO)5

Пентакарбоніл феруму

[Cu(NH3)4](OH)2

Тетраамінкупрум(II) гідроксид

Na3[Al(OH)6]

Натрій гексагідроксоалюмінат

[Hg(NH3)4]Cl2

Тетраамінмеркурій II) хлорид

Na3[Co(NO2)6]

Натрій гексанітрокобальтат(III)

Велике значення в мають так звані внутрішньокомплексні сполуки, або хелати, в яких йон металу сполучений з органічними сполуками. Структура цих сполук циклічна. Наприклад, халатні комплекси утворюються в разі взаємодії йонів металів з амінокарбоновими кислотами, а також з порфіриновим і кориновим циклами. Такі сполуки, наприклад, гемоглобін, хлорофіл, вітамін В12, мають велике біологічне значення.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24442. Преобразование Лапласа, Представление дискретной информации и способы ее отображения 93.5 KB
  Система команд однокристальной ЭВМ и способы адресации операндов Команда процессора – код определяющий действие устройства при выполнении заданных операций фций. Способ адресации – способ указания положения данных над которыми производятся операция адресация операндов либо способ определения точки перехода в командах передачи управления адресация переходов. При формировании команды один и тот же код операции может использоваться при различных способах адресации Пример на системе команд MCS51. Элементы в квадратных скобках могут...
24443. Параллельный и последовательный порты ЭВМ. Теорема Котельникова 279 KB
  Последовательный порт может работать в 4х режимах: В режиме 0 информация передается и принимается через ввод приемника RxD. В режиме 1 информация передается через выход передатчика TxD и принимается через вход приемника RxD В режиме 2 информация передается через выход передатTxD принимается через вход приемника RxD. Частота приема и передачи в режиме 2 задается программно и может быть равна fBQ 32 или fno 64. Режим 3 полностью идентичен режиму 2 за исключением параметров частоты приема и передачи которые в режиме 3 задаются Т С 1.
24444. Энтропия источника информации 179 KB
  Энтропия источника информации. Источник информации можно представить в виде случайной величины X принимающей одно из конечного числа возможных значений {1 2 ј m} с вероятностью pi pi – вероятность того что X = i.Теорема Шеннона Если имеется источник информации с энтропией Нх и канал связи с пропускной способностью С то если С HX то всегда можно закодировать достаточно длинное сообщение таким образом что оно будет передано без задержек. Если же напротив С HX то передача информации без задержек невозможна.
24445. Технология сжатия информационных данных (Алгоритмы Шеннона-Фано, Хаффмана) 182 KB
  Выполнив выше сказанное для всех символов получим: C = 00 2 бита A = 0100 4 бита D = 0101 4 бита F = 011 3 бита B = 10 2 бита E = 11 2 бита Каждый символ изначально представлялся 8ю битами один байт и так как мы уменьшили число битов необходимых для представления каждого символа мы следовательно уменьшили размер выходного файла. Из этих комбинаций лишь 2 по длиннее равны 8 битам. Поэтому для дискретного управления в реальном масштабе времени наличие в системе команд операций...
24446. Цепи Маркова. Стационарное распределение вероятностей цепи Маркова 101.5 KB
  Марковские процессы это процессы которые в будущем и прошлом при фиксированном настоящем являются независимыми. Рассмотрим некоторый вероятностный процесс . Пространство X называют пространством состояний а его элементы называются состоянием процесса. Считаем что пространство состояний X состоит из неотрицательных целых чисел из этого следует что процесс дискретный.
24447. Цепь Маркова с непрерывным временем 240 KB
  Простейшая операция сложения используется в АЛУ для инкрементирования содержимого регистров продвижения регистрауказателя данных и автоматического вычисления следующего адреса РПП. В АЛУ выполняется 51 различная операция пересылки или преобразования этих данных. Так как используется 11 режимов адресации 7 для данных и 4 для адресов то путем комбинирования операция режим адресации базовое число команд 111 расширяется до 255 из 256 возможных при однобайтном коде операции. Память программ и память данных размещенные на кристалле МК5...
24448. Сущность метода статистических испытаний 193.5 KB
  Формат команды во многом определяется способом адресации операнда находящего в оперативной памяти длиной используемого непосредственного операнда а также наличием и длиной смещения используемого при относительных режимах адресации. Непосредственная адресация предполагает что операнд занимает одно из полей команды и следовательно выбирается из оперативной памяти одновременно с ней. Прямая адресация предполагает что эффективный адрес является частью команды. Так как ЭА состоит из 16 разрядов то и соответствующее поле команды должно...
24449. Пуассоновский процесс 218.5 KB
  б – операционное устройство как преобразователь дискретной информации. Запоминающим устройством накопителем называется устройство предназначенное для хранения множества элементов информации и снабжённое средствами селекции обеспечивающего запись и или чтение заданного элемента информации. Устройством вводавывода называется устройство предназначенное для чтения информации с носителя и или записи информации на носитель путём преобразования электрических сигналов в сигналы иной физической природы т. передача информации из одной среды в...
24450. Система М/М/1 218 KB
  По способу передачи информации: параллельные последовательные и параллельнопоследовательные. По режиму передачи информации: симплексный режим передача только в одном направлении; дуплексный режим двусторонняя одновременная передача; полудуплексный режим двусторонняя передача но в разные моменты времени. Параллельные интерфейсы обеспечивают высокую пропускную способность которая измеряется количеством битов информации в единицу времени обычно в секунду. Тип передаваемой информации указывается сообщается приемному устройству...