Биологическая роль s-элементов

Водород является одним из самых распространенных элементов Вселенной. Содержание водорода в организме человека - около 10% (7 кг). На 100 атомов водорода в организме человека приходится всего 58 атомов остальных элементов. В организме человека водород содержится в виде различных биоор­ганических соединений и воды.

По содержанию в организме человека натрий (0,08 %) и калий (0,23%) относятся к макроэлементам, а остальные щелочные металлы - литий (10"⁴ %), рубидий (10⁵ %), цезий (10⁴ %) - к микробиогенным элементам. Щелочные металлы в виде различных соединений входят в состав тканей человека и животных. Натрий и калий относятся к жизненно необходимым элементам, постоянно содержатся в организме, участвуют в обмене веществ. Литий, рубидий и цезий также постоянно содержатся в организме, однако физиологическая и биохимическая роль их мало выяснена.

Литий. Содержание лития в организме человека около 70 мг (10 ммоль) - 10⁴ %. Соединения лития концентрируются в печени, почках, селезенке, легких, крови, молоке. Максимальное количество лития найдено в мышцах человека. Биологическая роль лития как микроэлемента пока до конца не выяснена. Доказано, что на уровне клеточных мембран ионы лития (при достаточной концентрации) конкурируют с ионами натрия при проникновении в клетки. Установлено, что некоторые соединения лития оказывают положительное влияние на больных маниакально - депрессивным психозом. Всасываясь из желудочно-кишечного тракта, ионы лития накапливаются в крови. Когда концентрация ионов лития достигает 0,6 ммоль/л и выше, про­исходит снижение эмоциональной напряженности и ослабление ма­ниакального возбуждения. Вместе с тем содержание ионов лития в плазме крови нужно строго контролировать. В тех случаях, когда концентрация ионов лития превышает 1,6 ммоль/л, возможны отрицательные явления.

Натрии. Содержание натрия в организме человека массой 70 кг составляет около 60 г (2610 ммоль) - 0,08 %. Из этого количества 44 % натрия находится во внеклеточной жидкости и 9 % - во внутриклеточной. Остальное количество натрия находится в костной ткани, являющейся местом депонирования иона натрия в организме. Около 40 % натрия, содержащегося в костной ткани, участвует в обменных процессах, и благодаря этому скелет является либо донором, либо акцептором ионов натрия, что способствует поддержанию пос­тоянства концентрации ионов натрия во внеклеточной жидкости. В плазме крови содержится 135 - 155 ммоль/л.

Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости. Ионы натрия участвуют в обеспечении кислотно-основного равновесия организма, в регуляции водного обмена, влияют на работу ферментов. Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ион натрия участвует в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток и поддерживает нормальную возбудимость мышечных клеток. При изменении содержания натрия в организме происходят нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой и других систем, гладких и скелетных мышц. При потере натрия появляется "осмотически свободная" вода, часть которой может перемещаться в клетки вследствие разницы осмотического давления, что приводит к набуханию клеток. Часть воды выводится почками.

В организм человека натрий поступает в основном в виде поваренной соли. Истинная ежедневная потребность организма в натрии составляет 1 г, хотя среднее потребление этого элемента достигает 4-7 г. Непрерывное избыточное потребление натрия способствует появлению гипертензии. В организме здорового человека поддерживается равновесие между количеством потребляемого и выделяемого натрия. Около 90 % потребляемого натрия выводится с мочой, остальной - с потом и калом.

Многие важные биологические процессы осуществляются только при условии различного ионного и молекулярного состава внутри клеток и во внеклеточной жидкости. Так, концентрация ионов натрия внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости. Наоборот, концентрация ионов калия приблизительно в 35 раз выше внутри клетки, чем вне ее.

Чтобы поддержать такое распределение, ионы калия должны постоянно перемещаться из внешней среды, где их концентрация ниже, внутрь клетки, т. е. в среду с более высокой концентрацией ионов калия. Напротив, ионы натрия из клетки, внутри которой их концентрация меньше, перемещаются во внеклеточную жидкость с более высокой концентрацией ионов натрия. Нормальное распределение ионов обеспечивается работой натрий-калиевых насосов. Эти насосы, осуществляющие перенос ионов через плазматическую мембрану против градиента концентрации и поддерживающие этот градиент, требуют большой затраты энергии. Натрий-калиевый градиент обусловливает возникновение разности потенциалов на клеточной мембране.

За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона натрия выводятся из клетки, а два иона калия поступают внутрь клетки. Такое соотношение электрических зарядов и служит причиной возникновения разности потенциалов на плазматической мембране, в частности нервных клеток. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно по отношению к внешней поверхности мембраны.

Калий. Содержание калия в организме человека массой 70 кг составляет примерно 160 г (4090 ммоль) - 0,23 %. Калий является основным внутриклеточным катионом, достигая - 2/3 от общего количества активных клеточных катионов. Из общего количества калия, содержащегося в организме, 98 % находится внутри клеток и лишь около 2 % - во внеклеточной жидкости. Калий распространен по всему организму. Его топография: печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг и т.д. Ионы калия играют важную роль в следующих физиологических процессах:

• сокращении мышц,

• нормальном функционировании сердца,

• проведении нервных импульсов,

• обменных реакциях.

Ионы К⁺ являются важными активаторами ферментов, находящихся внутри клетки. Калий, как уже отмечалось выше, в большинстве случаев является антагонистом натрия. Ионы Na⁺ и К⁺ принимают участие в биокатализе, образуя смешанные комплексы типа фермент - катион - субстрат. Взрослый человек обычно потребляет с пищей 2 - 3 г калия в сутки. Концентрация ионов К⁺ во внеклеточных жидкостях, включая плазму, составляет в норме 3,5 - 5,5 ммоль/л, а концентрация внутриклеточного калия -115 -125 ммоль/л.

Повышение концентрации калия выше 6,5 ммоль/л плазмы - угрожающе, выше 7,5 до 10,5 - токсично, а выше 10,5 ммоль/л - смертельно.

Причинами гиперкалиемии могут служить:

• пониженное выделение калия с мочой при острой и хронической почечной недостаточности;

• внутривенное введение калиисодержащих растворов, особенно на фоне нарушения выделительной функции почек;

• усиленный катаболизм белка, так как на 1 г азота высвобождается около 3 ммоль ионов калия, усиленный катаболизм углеводов (гликогена);

• некроз клеток, в частности при ожогах, краш-синдроме, печеночной коме, панкреатите и гемолизе;

•метаболический ацидоз, когда происходит перераспределение калия: выход его из клеток во внеклеточное пространство при неизменном общем содержании;

•первичная или вторичная недостаточность надпочечников, приводящая к значительным потерям натрия с мочой и компенсаторной задержке калия.

Возможные причины гипокалиемии:

• потери калия через желудочно-кишечный тракт;

• повышенное выделение калия слизистой кишечника при аденоме толстой кишки, опухоли поджелудочной железы;

• потери калия через почки (усиливающиеся под влиянием ле карственных средств, при заболеваниях почек);

• при эндокринных заболеваниях (первичный или вторичный аль-достеронизм, стимуляция продукции альдостерона при заболеваниях сердца, печени, почек, стрессовых ситуациях, несахарном диабете, беременности);

• нарушения распределения калия при метаболическом алкалозе, инсулинотерапии;

• за счет недостаточного поступления калия.

Рубидий и цезий. По содержанию в организме человека рубидий (10^|5 %) и цезий (10⁴ %) относятся к микроэлементам. Они постоянно содержатся в организме, но биологическая роль их еще не выяснена. Являясь полным аналогом калия, рубидий также накапливается во внутриклеточной жидкости и может в различных процессах замещать эквивалентное количество калия. Синергист калия - рубидий активирует многие те же самые ферменты, что и калий. Радиоактивные изотопы рубидия и цезия используют в радиотерапии злокачественных опухолей, а также при изучении метаболизма калия.

Франций. Это радиоактивный химический элемент, полученный искусственным путем. Франций способен избирательно накапливаться в опухолях на самых ранних стадиях их развития.

Во вторую группу периодической системы входят бериллий, магний и щелочно-земельные металлы: кальций, стронций, барий, радий, являющиеся s-элементами. Магний входит в состав многих ферментативных систем, а кальций является главным компонентом костной ткани. Стронций оказывает влияние на процессы в костной ткани, а барий, очевидно, играет определенную роль в функционировании органов зрения.

Бериллий. Бериллий постоянно находится в растениях, а также в организмах животных. Содержание бериллия в живых организмах составляет 10'⁷ %. Соединения бериллия токсичны и вызывают ряд заболеваний (бериллиевый рахит, бериллиоз). Особенно токсичны летучие соединения бериллия.

Магний. Магний относится к олигобиогенным элементам. Общее содержание его в организме 0,027 % (около 20 г). В наибольшей степени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани. Накапливается он также в поджелудочной железе, скелетных мышцах, почках, мозге, печени и сердце. У взрослого человека суточная потребность в магнии составляет около 0,7 г. Ион магния, так же как и ион калия, является внутриклеточным катионом. В биологических жидкостях и тканях организма магний находится как в виде акваиона, так и в связанном с белками состоянии в количестве < 10² %. Концентрация ионов магния внутри клеток примерно в 2,5 - 3 раза выше, чем во внеклеточных жидкостях. Ион магния является активным катализатором ферментативных процессов, входя в состав различных ферментативных систем, являясь их незаменимым компонентом и активатором (такие ферменты, как карбоксипептидаза, холинэстераза, являются специфическими для иона магния).

Кальций. Кальций относится к макробиогенным элементам. Общее содержание его в организме 1,4 %. Кальций содержится в каждой клетке человеческого организма. Общее содержание в сыворотке крови - 2,12 - 2,6 ммоль/л, ионизированного кальция в плазме -1,03 - 1,27 ммоль/л. Основная масса кальция находится в костной и зубной тканях. В среднем взрослый человек в сутки должен потреблять 1 г кальция, хотя потребность в кальции составляет только 0,5 г. Это связано с тем, что кальций, вводимый с пищей, только на 50 % всасывается в кишечнике. Сравнительно плохое всасывание является следствием образования в желудочно-кишечном тракте трудно растворимых кальция фосфата и кальциевых солей жирных кислот. В организме концентрация ионов кальция регулируется гормонами. В костях и зубах взрослого человека около 1 кг кальция находится в виде нерастворимого кристаллического минерала - гидроксиапатита. В крови и лимфе кальций находится как в ионизированном, так и в неионизированном состоянии - в соединениях с белками, углеводами и др.

Ионизированный кальций оказывает регулирующее воздействие на эндокринную секрецию паращитовидной железы и С-клетки щитовидной железы. Содержание ионизированного кальция в крови поддерживается по принципу отрицательной обратной связи через паратгормон и кальцитонин, а также витаминами группы Д, преимущественно витамином Дз. Паратгормон мобилизует кальций и фосфаты костной ткани, обеспечивая их выход в кровоток, усиливает канальцевую реабсорбцию кальция, т.е. ограничивает его потери с мочой и тормозит реабсорбцию фосфатов. Также паратгормон активиру­ет витамин Д; который участвует во всасывании кальция через стимулирование кальцийтранспортного белка в стенке кишечника.

Кальцитонин подавляет активность остеокластов, препятствуя мобилизации кальция из костной ткани, убыстряя его отложение в ней, тем самым снижая его содержание в крови.

Механизм свертывания крови состоит из ряда этапов, многие из которых зависят от наличия ионизированного кальция. Ионы кальция принимают активное участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, регулировании работы сердечной мышцы. Он выступает в качестве строительного материала в организме, в костях, зубах. Скелет - основное хранилище кальция.

Причины гиперкальциемии:

• Наследственно повышенная чувствительность к витамину Д;

• Приобретенная повышенная чувствительность к витамину Д, возникающая при гипотериозе;

• Первичный гиперпаратиреодизм;

• Недостаточность надпочечников и связанное с этим снижение антагонистического действия глюкокортикоидов;

• Повышенное всасывание кальция;

• Снижение выделения кальция с мочой при заболевании по чек.

Причины гипокальциемии:

• Недостаточность паращитовидных желез;

• Нарушение всасывания или повышенное выведение кальция при патологии переваривания и всасывания;

• Дефицит витамина Д или резистентность к нему при рахите;

• Тубулопатии с нарушением реабсорбции кальция;

• Снижение образования кальцитонина при медуллярной карциноме щитовидной железы.

Стронций. Содержание стронция в организме 10 %. Концентрируется стронций главным образом в костях, частично замещая кальций. Важную роль играет стронций в процессах костеобразования (остеогенеза). Определение содержания стронция в плазме и эритроцитах используют для диагностики и прогнозирования заболевания лейкозом. Образующийся при ядерных взрывах радиоактивный изотоп ⁹⁰Sr вызывает лучевую болезнь. Он поражает костную ткань, в особенности костный мозг. Накопление ⁹⁰Sr в атмосфере и организме человека способствует развитию лейкемии и рака костей.

Барий. Общее содержание бария в организме составляет 10⁵ %. Концентрируется барий преимущественно в сетчатке глаза. Биологическая роль его пока не выяснена. При лейкозах содержание бария в эритроцитах и плазме крови увеличивается. Ионы бария являются токсичными для организма.

Радий. Радий относится к микроэлементам. Общее содержание его в организме 10^п-10¹² %. Максимально допустимое содержание радия в организме человека 1 х 10⁷ г. Концентрируется радий преимущественно в костной ткани.

Общая характеристика d-элементов. К блоку d-элементов относятся 32 элемента, d-элементы входят в состав с 4-го по 7-й большие периоды периодической системы (Сu, Ag, Zn, Cd, Hg, Ti, V, Cr, Mo, Mn, Fe, Co, Ni и др.). У атомов ШБ - группы появляется первый электрон на d-орбитали. В последующих Б-группах происходит заполнение d-подуровня до 10 электронов.

Все атомы d-блока, за исключением групп IБ и IIБ, имеют незавершенный d-электронный слой. Такие электронные оболочки неустойчивы. Этим объясняется переменная валентность и набор разных степеней окисления d-элементов.