Южно-казахстанская государственная фармацевтическая академия

Медико-биологическое значение s-, p-, d- элементов и их соединений.

Содержание:

Введение.

2.Биогенные элементы. Классификация биоэлементов по Вернадскому
3.Свойства и биологическая роль некоторых s-элементов
4. Свойства и биологическая роль некоторых р- элементов
5. Свойства и биологическая роль некоторых d-элементов
6. Биологическая роль воды в организме

n 7. Заключение.

n 8.Список литературы

Биогенные d- элементы. Связь между электронным строение d- элементов и их биологическими функциями. Роль d- элементов в комплексообразовании в биологических системах.

В составе живого вещества найдено более 70 элементов.

Биогенные элементы – элементы, необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов.

В организме человека больше всего s- и p- элементов.

Незаменимые макроэлементы s-: H, Na, Mg, K, Ca

Незаменимые макроэлементы p-: C, N, O, P, S, Cl, I.

Примесные s- и p- элементы: Li, B, F.

Концентрирование химического элемента – повышенное содержание элемента в организме по сравнению с окружающей средой.

Основу всех живых систем составляют шесть элементов-органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их содержание в организме достигает 97%.

Биогенные элементы подразделяют на три блока: s-, p-, d-.

S-элементы

Основные сведения:

1. S-элементы – это химические элементы, в атомах которых заполняются электронами, s-подуровень внешнего уровня.

2. Строение их валентного уровня ns^1-2.

3. Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов – типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации. Химия таких элементов является в основном ионной, за исключением лития и бериллия, которые обладают более сильным поляризующим действием.

4. Имеют относительно большие радиусы атомов и ионов.

5. Легко отдают валентные электроны.

6. Являются сильными восстановителями. Восстановительные свойства возрастают закономерно с увеличением радиуса атома. Восстановительная способность увеличивается по группе сверху вниз.

Биологическая роль:

Вследствие очень легкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений.

Натрий

1. Относится к жизненно необходимым элементам, постоянно содержится в организме, участвует в обмене веществ.

2. Содержание натрия в организме человека массой 70 кг – около 60г.

3. В организме человека натрий находится в виде растворимых солей: хлорида, фосфата, гидрокарбоната.

4. Распределен по всему организму (в сыворотке крови, в спинномозговой жидкости, в глазной жидкости, в пищеварительных соках, в желчи, в почках, в коже, в костной ткани, в легких, в мозге).

5. Является основным внеклеточным ионом.

6. Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвует в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости.

7. Ионы натрия участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов.

8. Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ионы натрия участвуют в передаче нервных импульсов.

9. При изменении содержания натрия в организме происходят нарушения нервной, сердечно-сосудистой систем, гладких и скелетных мышц.

Калий

1. Содержание калия организме человека массой 70 кг – около 160г.

2. В организме человека калий находится в крови, почках, сердце, костной ткани, мозге.

3. Калий является основным внутриклеточным ионом.

4. Ионы калия играют важную роль в физиологических процессах – сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях.

5. Являются важными активаторами внутриклеточных ферментов.

Магний

1. Общее содержание в организме 20г.

2. Находится в дентине и эмали зубов, костной ткани.

3. Накапливается в поджелудочной железе, скелетных мышцах, почках, мозге, печени и сердце.

4. Является внутриклеточным катионом.

Кальций

1. Относится к макроэлементам.

2. Содержится в каждой клетке человеческого организма. Основная масса – в костной и зубной тканях.

3. Ионы кальция принимают активное участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, регулировании работы сердечной мышцы, механизмах свертывания крови.

P-элементы

Общая характеристика:

1. Относят 30 элементов периодической системы.

2. В периодах слева направо атомные и ионные радиусы p-элементов по мере увеличения заряда ядра уменьшаются, энергия ионизации и сродство к электрону в целом возрастают, электроотрицательность увеличивается, окислительная активность элементных веществ и неметаллические свойства усиливаются.

3. В группах радиусы атомов и однотипных ионов увеличиваются. Энергия ионизации при переходе от 2р-элементам уменьшается.

4. С увеличением порядкового номера р-элементов в группе неметаллические свойства ослабевают, а металлически усиливаются.

Биологическая роль:

Бор

1. Относится к примесным микроэлементам.

2. Концентрируется в легких, щитовидкой железе, селезенке, печени, мозге, почках, сердце.

3. Входит в состав зубов и костей.

4. Избыток бора вреден для организма человека (уменьшается активность адреналина).

Алюминий

1. Относится к примесным элементам.

2. Концентрируется в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека.

3. Суточная норма – 47мг.

4. Влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костных тканей, на обмен фосфора.

5. Оказывает воздействие на ферментативные процессы.

6. Избыток тормозит синтез гемоглобина.

Таллий

1. Относится к весьма токсичным элементам.

Углерод

1. Относится к макроэлементам.

2. Входит с состав всех тканей в форме белков, жиров, углеродов, витаминов, гормонов.

3. С биологической точки зрения углерод является органогеном номер 1.

Кремний

1. Относится к примесным микроэлементам.

2. Находится в печени, надпочечниках. Волосах, хрусталике.

3. С нарушением кремния связывают возникновение гипертонии, ревматизма, язвы, малокровия.

Германий

1. Относится к микроэлементам.

2. Соединения германия усиливают кроветворения в костном мозге.

3. Соединения германия малотоксичные.

D-элементы

Общая характеристика:

1. Относятся 32 элемента периодической системы.

2. Входят в 4-7 большие периоды. Особенностью элементов этих периодов является непропорционально медленное возрастание атомного радиуса с возрастанием числа электронов.

3. Важный свойством является переменная валентность и разнообразие степеней окисления. Возможность существования d-элементов в разных степенях окисления определяет широкий диапазон окислительно-восстановительных свойств элементов.

4. D-элементы в промежуточной степени окисления проявляют амфотерные свойства.

5. В организме обеспечивают запуск большинства биохимических процессов, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность.

Биологическая роль:

Цинк

1. Микроэлемент

2. В организме человека 1,8г.

3. Больше всего цинка в мышцах и костях, а также в плазме крови, печени, эритроцитах.

4. Образует бионеорганический комплекс с инсулином – гормоном, регулирующим содержание сахара в крови.

5. Содержится в мясных и молочных продуктах, яицах.

Кадмий

1. Микроэлемент.

2. В организме человека – 50мг.

3. Примесный элемент.

4. Находится в почках, печени, легких, поджелудочной железе.

Ртуть

1. Микроэлемент.

2. Примесный элемент.

3. В организме человека – 13мг.

4. Находится в жировой и мышечной тканях.

5. Хроническая интоксикация кадмием и ртутью может нарушить минерализацию костей.

Хром

1. Микроэлемент.

2. В организме человека – 6г.

3. Металлический хром нетоксичен, а соединения опасны для здоровья. Они вызывают раздражения кожи, что приводит к дерматитам.

Молибден

1. Микроэлемент.

2. Относится к металлам жизни, является одним из важнейших биоэлементов.

3. Избыточное содержание вызывает снижение прочности костей – остеопороз.

4. Входит с состав различных ферментов.

5. Малотоксичный.

Вольфрам

1. Микроэлемент.

2. Роль не изучена.

3. Анионная форма вольфрама легко абсорбируется в желудочно-кишечном тракте.

Водород. Главными формами нахождения водорода в биосфере являются природные воды, газы и органические вещества. В организмах водород входит в состав углеводородов, углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот и т.д. Основное количество атомов водорода заключено в воде, на долю которой приходится более 90% массы живой клетки. Вся химия клетки основана на том, что растворителем в клеточных системах служит вода.

Организм человека, масса которого составляет 70 кг, содержит примерно 45 л воды. В организме имеются два основных вида жидкости с разным составом электролитов, а именно: внутриклеточная, в которой преобладающим катионом является калий и внеклеточная с преобладанием натрия.

Другое кислородное соединение водорода – пероксид водорода Н₂О₂, который образуется во всех клетках организма при различных окислительно-восстановительных процессах как побочный продукт метаболизма и сразу же разлагается под влиянием фермента каталазы: Н₂О₂ Н₂О + ½ О₂.

Пероксид водорода Н₂О₂ (3%-й раствор) – дезинфицирующее средство для промывания и полоскания при воспалительных заболеваниях слизистой оболочки (стоматиты, ангина), для лечения гнойных ран, остановки носовых кровотечений и т.д.

Кислород в организме составляет 62,4% по массе. Организм взрослого человека в состоянии покоя потребляет 264 см³ кислорода в минуту. Кислород участвует во всех видах обмена веществ в организме. Он входит в состав белков, витаминов, гормонов, жиров, углеводов, ферментов и других биологически важных веществ. Кислород участвует в процессах разложения погибших животных и растений, при которых сложные органические вещества превращаются в более простые.

В медицине кислород применяют при лечении многих сердечно — сосудистых заболеваний, злокачественных опухолей, инфекционный заболеваний. Кислород оказывает снотворное действие, способствует восстановлению угнетённых дыхательных ферментов, стимулирует деятельность центральной нервной системы. Кислород используется при гипоксии, при заболеваниях верхних дыхательных путей, при отравлении угарным газом, цианидами.

Озон обладает сильным бактерицидным действием и поэтому применяется для обеззараживания (озонирования) воды и дезинфекции воздуха. При вдыхании смеси воздуха с озона (озонотерапия) улучшается обмен веществ, работа почек, усиливаются защитные функции организма, улучшается аппетит, сон и общее самочувствие. Под действием озона погибают не только бактерии, но и грибковые образования и вирусы. Озон ядовит. В нижних слоях атмосферы содержание озона 1*10^-6%. Озон задерживает вредное для жизни ультрафиолетовое излучение Солнца и поглощает инфракрасное излучение Земли, препятствует её охлаждению. Поэтому озоновый пояс играет большую роль в обеспечении жизни на Земле.

Сера. В организме человека 0,16% серы. Суточная потребность взрослого человека в сере 4-5 г. Сера входит в состав белков, аминокислот, пептидов, гормонов, некоторых витаминов. Много серы в кератине волос, шерсти, костях, нервной ткани и т.д. В организме сера окисляется с образованием H₂SO₄, которая участвует в обезвреживании ядовитых соединений, образующихся в кишечнике, а также лекарственных препаратов. Сера угнетает жизнедеятельность остриц и способствует удалению их из кишечника. Наружно серу применяют при дерматитах в дерматологии, так как она оказывает противомикробное и противопаразитарное действие.

SO₂ – диоксид серы (IV) служит дезинфицирующим средством, убивающим многие микроорганизмы. Им окуривают сырые подвалы и погреба, винные бочки, бродильные чаны, чтобы уничтожить плесневые грибы.

Na₂S₂O₃ – тиосульфат натрия (30%) – противовоспалительное, противоаллергическое и противопаразитарное средство. Используется как противоядие при отравлениях тяжелыми металлами, мышьяком, галогенами, с которыми тиосульфат натрия образует безвредные соединения, выводящиеся из организма.

Галогены. Фтор в организме составляет 1*10^-5%, содержится в волосах, костях, зубах. Основная биологическая роль фтора – в участии в процессах костеобразования, формирования зубной эмали и дентина. Фтор используется для профилактики кариеса зубов. Суточное потребление – 1-2 мг.

Хлор – 1*10^-2% в организме. Суточная потребность 4-6 г. Хлорид-ионы способствуют отложению гликогена в печени, участвуют в регуляции осмотического давления и водно-солевого обмена. Хлор входит в состав многих ферментных систем, активирует амилазу. Соляная кислота играет важную роль в пищеварении. В желудочном соке человека 0,5% соляной кислоты. Атомы хлора взаимодействуют с аминогруппами аминокислот микробных клеток и разрушают их структуру, вызывая гибель микроорганизмов. Эти свойства хлора используются для дезинфекции, обезвреживания воды и т.д.

Соляная кислота стимулирует секрецию поджелудочной железы и печени, возбуждает моторную функцию желудка и кишок, способствует всасыванию железа из пищевого канала. HCl применяется при пониженной кислотности желудка, NaCl – для приготовления физиологического раствора, NaClO – для орошения ран, CaOCl₂ – для дезинфекции предметов ухода за больными, помещений и т.д.

Бром в организме – 1*10^-4%, содержится в мозговом слое почек, щитовидной железе, гипофизе, крови, моче и других органах и тканях. Суточная потребность – 0,821 мг. Бромид-ионы усиливают процессы торможения центральной нервной системы, поэтому бромиды используют как лекарственные препараты при расстройствах высшей нервной деятельности, в том числе эпилепсии, неврастении, нервной бессоннице и других заболеваниях.

Йод относится к группе жизненно необходимых микроэлементов и постоянно находится в организме в количестве 20-25 мг. Из них 15 мг – в щитовидной железе, остальной йод – в мышцах, коже, костях, печени, почках, крови, головном мозге. Суточная потребность 0,2 мг. Основная биологическая роль йода состоит в том, что он участвует в синтезе гормона щетовидной железы – тироксина и является его компонентом. Йод участвует в водно-солевом обмене, влияя на концентрацию ионов натрия и калия. 5%-ная и 10%-ная йодные настойки оказывают местное антисептическое и противовоспалительное действие, используется для обработки рук хирурга, ран, операционного поля. Препараты на основе йода употребляются при заболеваниях щитовидной железы при недостатке йода в организме.

Азот. Это один из важнейших биогенных элементов. Содержание его в живых организмах в расчёте на сухое вещество составляет примерно 3%. Азот входит в состав аминокислот, белков, нуклеотидов, нуклеиновых кислот, биогенных аминов и т.д.

Мы живет в атмосфере азота (объёмная доля азота в воздухе составляет 78%), обогащенной кислородом и в очень малых количествах – другими элементами. Без азот трудно представить себе жизнь на Земле. Азот и жизнь – понятия неразделимые. Жизнь во многом обязана именно азоту, а азот своим происхождением и существованием в биосфере обязан жизненным процессам.

Молекулярный азот участия в обмене веществ не принимает. Человек использует азот органических соединений.

Азот – не только носитель жизни. Азотные соединения, особенно нитраты, вредны для орг8анизма и могут быть причиной отравлений.

В медицине применяются:

N₂O – оксид азота (I), или «веселящий газ», в смеси с кислородом используется в качестве наркотического средства;

NH₄OH – водный раствор аммиака (нашатырный спирт), используется для возбуждения дыхания и выведения больных из обморочного состояния.

Фосфор. Фосфор является пятым из важнейших для биологии элементом вслед за углеродом, водородом, кислородом и азотом.

Фосфаты играют две ключевые роли. Во-первых, они служат структурными элементами ряда биологических систем, например, сахарофосфатный остов нуклеиновых кислот или отложение фосфата кальция костей и зубов. У человека в костях содержится 5%, а в зубной эмали – 17% фосфора. Вторая роль производных иона ортофосфата связана с переносом энергии.

В медицине применяется аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), назначается при хронической коронарной недостаточности, мышечной дистрофии и атрофии, спазмах периферических сосудов.

Углерод, обладая исключительной способностью образовывать вместе с другими элементами длинные цепи атомов, дает многочисленное разнообразие органических соединений. Благодаря углероду возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных.

В настоящее время широко обсуждаются вопросы загрязнения биосферы диоксидом углерода, поступающим из продуктов сжигания топлива. Увеличение концентрации CO₂ в воздухе на 20% может вызвать глобальное повышение температуры на Земле на 4-5⁰С – «Парниковый эффект».

Особенно вредное действие на организм человека оказывает оксид углерода (II) или угарный газ. При вдыхании оксид углерода (II) попадает в кровь и образует прочное соединение с гемоглобином – карбоксигемоглобин. При этом гемоглобин теряет способность связывать кислород, что и является причиной смерти при тяжелых отравлениях угарным газом.

В медицине применяется:

1. Активированный уголь (карболен); адсорбент при отравлениях алкалоидами, солями тяжелых металлов и т.д.; находит широкое применение в хемосорбции.

2. Гидрокарбонат натрия NaHCO₃; понижает кислотность желудочного сока; водные растворы используются для полосканий и примочек.

Кремний. Микроэлемент. Он жизненно важен для работы и развития высших животных. Повышенным содержанием кремния отличаются ткани, в которых слабо развиты или отсутствуют нервные волокна. Максимальное его количество содержится в коже, хрящах, сухожилиях, в радужной и роговой оболочках глаза.

При повышенном содержании во вдыхаемом воздухе нерастворимых соединений кремния (кремнезём, силикаты) развивается профессиональное заболевание – силикоз у рабочих горнорудной промышленности.

В медицине применяется тальк (3MgO, 4 SiO₂*H₂O)– присыпка.

Щелочные металлы. Ионы Na⁺ и К⁺ распределены по всему организму, причём ионы натрия входят в состав преимущественно межклеточных жидкостей, а ионы калия находятся, в основном, внутри клеток. С ионами натрия связаны осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями, поддержание кислотно-основного равновесия в организме, перенос аминокислот и сахаров через клеточную мембрану.

Хлорид натрия NaCl. В зависимости от концентрации хлорида натрия различают изотонический (физиологический) и гипертонический растворы.

Изотоническим является 0,9%-ный раствор NaCl, т.к. его осмотическое давление соответствует осмотическому давлению плазмы крови (7,7 атм). Изотонический раствор используют в качестве плазмозаменяющего раствора при обезвоживании организма, для растворения лекарственных веществ и т.д. Гипертонические растворы (5%, 10%)применяют наружно в виде компрессов и примочек для лечения гнойных ран.

Гидрокарбонат натрия NaHCO₃ (питьевая сода). Введение гидрокарбоната натрия в желудок приводит к быстрой нейтрализации соляной кислоты желудочного сока:

NaHCO₃ + HCl = NaCl + H₂O + CO₂

Глауберова соль Na₂SO₄*10H₂O; назначается внутрь в качестве слабительного средства.

Иодид калия KI применяется как препарат йода при заболеваниях щитовидной железы.

Перманганат калия KMnO₄ используется как антисептическое средство для промывания ран, полоскания рта и горла.

Щелочноземельные металлы. Кальций. Это один из пяти (O,C,H,N,Ca) наиболее распространенных элементов в организме человека (1,5%). Основная масса имеющегося в организме кальция находится в костях и зубах в виде фосфата кальция. Внеклеточный кальций влияет на свертываемость крови, нервно-мышечную возбудимость и сердечную мышцу.

Гексагидрат хлорида кальция CaCl_2*6H₂O используется при аллергических заболеваниях.

Жженый гипс 2CaSO₄*H₂O получается путём прокаливания природного гипса. При замачивании в воде он быстро твердеет. На этом свойстве основано его использование при изготовлении гипсовых повязок. В стоматологии применяется в качестве слепочного материала при протезировании зубов.

Барий. Биогенная роль бария изучена пока мало. Все растворимые в воде и кислотах соли бария ядовиты. Нерастворимый в воде и кислотах сернокислый барий BaSO₄ хорошо поглощает рентгеновские лучи, и поэтому его применяют с целью исследования желудочно-кишечного тракта человека.

Алюминий – это микроэлемент. Содержание в организме: 1*10^-5% в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, входит в структуру оболочек нервных клеток головного мозга человека. Принимает участие в построении эпителиальной и соединительной тканей, в процессе регенерации костной ткани, в обмене фосфора.

В медицине применяются:

1. Алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂*12 H₂O, обладают вяжущим, прижигающим и кровоостанавливающим действием.

2. Гидроксид алюминия Al(OH) ₃, обладает адсорбирующим и обволакивающим действием, понижает кислотность желудочного сока, входит в состав препарата «Альмагель».

d- элементы. Медь. В организме взрослого человека содержится около 100 мг меди. Главная функция меди у высших организмов – каталитическая. В настоящее время известен целый ряд медьсодержащих ферментов (церулоплазмин, тирозиназа, цитохромоксидаза, супероксиддисмутаза).

Из соединений меди в медицине находит применение сульфат меди CuSO₄*5H₂O как антисептическое и вяжущее средство для наружного применения (раствор для смазывания ожоговой поверхности кожи, глазные капли и т.д.)

Цинк. Физиологическая роль цинка осуществляется благодаря связи его с ферментами. Цинк входит в состав эритроцитов, участвуя в газообмене и тканевом дыхании (ионы цинка входят в состав ферментов карбоангидразы).

Многие соединения цинка используются как вяжущие, антисептические средства для наружного применения.

ZnSO₄*7H₂O – глазные капли.

ZnO – присыпка, мази, пасты для кожных заболеваний.

Хром. Хром – постоянная ^{составная} часть растительных и животных организмов. Биологическая активность хрома объясняется способностью Cr⁺³ образовывать комплексные соединения. Например, ионы Cr⁺³ участвуют в стабилизации структуры нуклеиновых кислот.

Марганец. Это микроэлемент. Функция ионов Mn⁺² состоит в регуляции активности ферментов. Ионы Mn⁺²оказывают влияние на кроветворение, минеральный обмен, рост, размножение и т.д. Кроме того, ионы Mn⁺²стабилизируют структуру нуклеиновых кислот.

В медицине используется перманганат калия KMnO₄.Этот антисептик применяется в водных растворах для промывания ран, полоскания горла и т.д.

Железо. Среди биоэлементов, важных для жизнедеятельности всех живых существ, железа играет главную роль, так как оно является активатором многих каталитических процессов в организме и участвует в транспортировке газов кровью.

В организме взрослого человека содержится около 3,5 г железа. Основная его масса сконцентрирована в гемоглобине эритроцитов. И хотя на долю атомов железа в гемоглобине приходится всего 0,35% массы, именно железо придаёт ей уникальное свойство – способность захватывать молекулярный кислород и отдавать его там, где он нужен.

Значительная часть железа содержится в мышечном белке – миоглобине, структурном родственнике гемоглобина, который так же способен обратимо связывать молекулярный кислород. При недостатке железа в организме человека развивается железодефицитная анемия.

Для лечения железодефицитных анемий, а также при слабости и истощении организма, применяются следующие препараты железа:

1. аскорбинат железа (II)

2. драже «Фероплекс» (сульфат железа (II) с аскорбиновой кислотой)

3. «Гематоген»

4. сироп алоэ с железом.

Литература:

1.Слета Л. А. Химия: Справочник. - Харьков: Фолио; Ростов н/Д: Феникс, 1997. - 496 с.

2. Амосов Л. К. Эксмо. М., 2004г.

3. Журнал «Здоровье» 2006г.

4. Интернет: «Химия и медицина» – РАМН. – М. 2009г.

5. Интернет: h ttp://win.mail.ru/cgi-bin/isearch?URL=,http://www /&sputnik=1

6. Н.Л. Глинка «Общая химия» 25-е издание (исп.) – Ленинград 1986г.