Материал: Лекция 1.Мед.химия
Лекция: «БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ»
Ассистент Бойцова В.Е.
ПЛАН ЛЕКЦИИ:
1.Содержание химических элементов в земной коре.
2.Биогенные элементы. Элементы-органогены.
3.Классификация биогенных элементов.
4.Общая характеристика s-элементов.
5.Общая характеристика p-элементов.
6.Общая характеристика d-элементов.
7.«Металлы жизни». Их влияние на функцию ферментов и гормонов.
8.Взаимозаменяемость биогенных элементов. «Синергизм» и «антагонизм».
9.Заболевания, связанные с нарушением химического гомеостаза.
10.Экологические проблемы и их влияние на организм.
11.Качественные реакции на биогенные элементы и методика их выполнения.
Из всех химических элементов в природе найдено 88; такие элементы, как технеций Tc (порядковый номер 43), прометий Pm (61), астат At (85) и франций Fr (87), а также все элементы, следующие за ураном U (порядковый номер 92), впервые получены искусственно. Некоторые из них в исчезающе малых количествах обнаружены в природе.
Из химических элементов наиболее распространены в земной коре кислород и кремний. Эти элементы, вместе с алюминием, железом, кальцием, натрием, калием, магнием, водородом и титаном, составляют более 99 % массы земной оболочки, так что на остальные элементы приходится менее 1 % (рис.1). В морской воде, помимо кислорода и водорода — составных частей самой воды, высокое содержание имеют такие элементы, как хлор, натрий, магний, сера, калий, бром и углерод. Содержание элементов в коре Земли отличается от содержания элементов в Земле, взятой как целое, поскольку химические составы коры, мантии и ядра Земли различны. Так, ядро состоит в основном из железа и никеля. В свою очередь, содержания элементов в Солнечной системе и в целом во Вселенной также отличаются от земных. Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород, за ним идёт гелий. Исследование относительных распространённостей химических элементов и их изотопов в космосе является важным источником информации о процессах нуклеосинтеза и об эволюции Солнечной системы и небесных тел.
1
Рис.1. Распространённость химических элементов в земной коре
Оболочка Земли, в границах которой живут организмы, называется биосферой. Важнейшие исследования биосферы осуществил первый президент академии наук Украины В.И.Вернадский (1863-1945). Изучая геохимические превращения в земной коре, В.И.Вернадский установил, что изменения, происходящие в ее верхних слоях, определенным образом влияют на химический состав живых организмов. Исследования химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных, человека показали, что в живых организмах, в том числе и в человеческом, содержатся почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. В.И.Вернадский считал, что живые организмы и земная кора составляют одну систему. Дальнейшее изучение биогеохимия получила в трудах академика А. П. Виноградова.
В процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим основой использования тех или иных химических элементов при создании биосистем является естественный отбор. В результате такого отбора основу всех живых систем составляют только шесть элементов: углерод, водород,
кислород, азот, фосфор, сера, получивших название органогенов. Их содержание в организме достигает 97,4%.
С точки зрения химии естественный отбор элементов-органогенов можно объяснить их способностью образовывать химические связи: с одной стороны, достаточно прочные, то есть, энергоемкие, а с другой, достаточно лабильные, которые легко могли бы поддаваться гемолизу, гетеролизу, циклическому перераспределению.
Органогеном номер один, несомненно, является углерод. Его атомы образуют прочные ковалентные связи между собой или с атомами других элементов. Эти связи могут быть ординарными или кратными, благодаря таким
2
связям углерод способен образовывать сопряженные или кумулированные системы в виде открытых или закрытых цепей, циклов. В отличие от углерода, элементы-органогены водород и кислород лабильные связи не образуют, но их наличие в органической, в том числе, в биоорганической молекуле определяет ее способность взаимодействовать с биорастворителем-водой. Кроме того, водород и кислород являются носителями окислительно-восстановительных свойств живых систем, они обеспечивают единство окислительновосстановительных процессов. Остальные три органогена - азот, фосфор и сера, а также некоторые другие элементы – железо, магний, составляющие активные центры ферментов, как и углерод, способны образовывать лабильные связи. Положительным свойством органогенов является также и то, что они, как правило, образуют легко растворимые в воде соединения и поэтому концентрируются в организме.
Существует несколько классификаций химических элементов, содержащихся в организме человека. Так, В.И.Вернадский в зависимости от среднего содержания в живых организмах разделил элементы на три группы:
1.Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10 -² % . К ним относятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор.
2.Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10-² до 10¯¹² %.К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт.
3.Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10-¹²%. К ним относятся ртуть, золото, уран, радий и др.
В.В.Ковальский, исходя из степени значимости химических элементов для жизнедеятельности человека, подразделил их на три группы:
Незаменимые элементы. Они постоянно находятся в организме человека, входят в состав его неорганических и органических соединений. Это
H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Zn, Fe, Mo, V. Дефицит содержания этих элементов приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности организма.
Примесные элементы. Эти элементы постоянно находятся в организме человека, но их биологическая роль еще не всегда выяснена или мало изучена.
Это Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, As, Ba, Ge, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, Ce, Se.
Микропримесные элементы. Они найдены в организме человека, но ни о количественном содержании, ни о биологической роли их нет. Это Sc, Tl, In,
La, Sm, Pr, W, Re, Tb и др. |
|
Химические элементы, необходимые для |
построения и |
жизнедеятельности клеток и организмов, называют биогенными.
Физиологическая роль биоэлементов определяется их физикохимическими свойствами, которые, в свою очередь, обусловлены положением элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.
3
Элементы в периодической таблице делятся на s-, p и d-элементы. К блоку s-элементов относятся 13 элементов, находящихся в I и II группах главных подгруппах. Электронные структуры у этих элементов заполнены таким образом, что валентные электроны ( один или два) расположены нам внешнем s-подуровне, а предпоследний энергетический слой состоит из устойчивой восьми электронной оболочки ( исключение составляют водород и гелий, у которых всего один электронный слой). s-Элементы , содержащие один валентный электрон относятся к группе IА, а s-элементы, которые имеют два валентных электрона, составляют IIА группу. Степень окисления этих элементов равна номеру группы. Из-за сходного строения электронной оболочки, s-элементы каждой группы обладают сходными свойствами.
Для характеристики свойств элементов пользуются такими физическими единицами, как атомные и ионные радиусы, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность. При увеличении радиуса в группах сверху вниз связь валентного электрона с ядром ослабевает и уменьшается энергия ионизации. Атомы щелочных и щелочно-земельных элементов легко отдают свой валентный электрон, что характеризует их как сильные восстановители. Значение величин электроотрицательностей определяет форму существования элемента в живых системах. Так, s-элементы I группы характеризуются соответственно очень низкими значениями электроотрицательности, поэтому в живых организмах они находятся в виде катионов. Так, ион Na+- основной
+ +
катион внеклеточных жидкостей, а ионы K и Mg ² -внутриклеточные катионы. Кальций и магний содержатся в костной и зубной тканях в виде катионов малорастворимых солей. Общая характеристика s-элементов представлена в таблице 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1. |
|
|
|
|
Общая характеристика s-элементов |
|
|
|
|||
Группа |
Элемент |
Радиус атома, нм |
Радиус иона, нм |
Энергия ионизации |
Электроотрицатель ность |
Восстановит |
ельные свойства |
|
Химич. активность |
IА |
От Li до |
155 |
70 |
520 |
1,0 |
Увеличивают |
|
Увеличив |
|
|
Fr |
↓ |
↓ |
↑ |
↑ |
ся |
↓ |
|
аются ↓ |
|
|
280 |
180 |
386 |
0,7 |
|
|
|
|
IIА |
От Be до |
100 |
30 |
900 |
1,5 |
Увеличивают |
|
Увеличив |
|
|
Ra |
↓ |
↓ |
↑ |
↑ |
ся |
↓ |
|
аются |
|
|
240 |
144 |
510 |
0,9 |
|
|
|
↓ |
|
Н |
5 |
10-3 |
1310 |
2,1 |
|
|
|
|
|
Не |
122 |
― |
2370 |
― |
|
― |
|
― |
К р-элементам относятся 30 элементов III-VIIА – групп периодической системы. р-Элементы расположены во втором и третьем малых периодах, а также в четвертом – шестом больших периодах. Элементы IIIАгруппы имеют
4
один электрон на р-орбитали. В IVА- VIIА-группах наблюдается заполнение р- подуровня до 6 электронов. В периодах при увеличении заряда ядра атомные и ионные радиусы р-элементов уменьшаются, энергия ионизации и сродство к электрону возрастает, электроотрицательность увеличивается, окислительная активность соединений и неметаллические свойства элементов усиливаются. В группах с возрастанием порядкового номера элемента радиусы атомов и однотипных ионов¸ как правило, увеличиваются, неметаллические свойства ослабевают, а металлические - усиливаются.
На свойства р-элементов и их соединений влияют как появление новых подуровней на внешнем электронном уровне, так и заполнение подуровней внутренних электронных слоев. Свойства р-элементов второго периода - В, С, N, О, F― резко отличаются от свойств элементов других периодов. Так, начиная от р-элементов третьего периода, появляется свободный d-подуровень, на который могут переходить электроны с s- и р-подуровней при возбуждении атомов. р-Элементы II периода – азот, кислород и фтор –
Проявляют ярко выраженную способность участвовать в образовании водородных связей. Элементы третьего и следующих периодов это свойство теряют.
К d-элементам относятся 32 элемента периодической системы IVVII больших периодов. В III В - группе у атомов появляется первый электрон на d- орбитали, в последующих В-группах d-подуровень заполняется до 10 электронов.
В периодах с возрастанием заряда ядра увеличение радиуса атомов происходит довольно медленно, непропорционально числу электронов, заполняющих оболочку атомом. Такое «непропорциональное» изменение радиусов объясняется лантаноидным сжатием, а также проникновением nsэлектронов на d-электронный слой (действует принцип наименьшей энергии). Атомные радиусы переходных элементов значительно меньше радиусов s- и р- металлов того же периода. Особенности химических свойств d-элементов позволяют рассматривать их как единую группу. К этим особенностям относятся следующие:
1. Все d-элементы отличаются от s-элементов меньшей восстановительной способностью и большей химической инертностью.
2.Для большинства d-элементов характерно проявление двух и больше степеней окисления, почти одинаковых по термодинамической стойкости в обычных условиях, т.е. характерно большое разнообразие окислительновосстановительных реакций.
3.Соединения многих d-элементов в высших степенях окисления проявляют кислотные, а в низших - слабоосновные свойства.
4.Наиболее характерной особенностью d-металлов является способность образовывать разнообразные комплексные соединения, многие из которых устойчивы в водных растворах.
С увеличением порядкового номера элемента устойчивость его высшей степени окисления в периоде уменьшается, а в группе возрастает. Снижение устойчивости высшей степени окисления в периоде обусловлено эффектом d-
5