Материал: Лекция 1.Мед.химия

сжатия.

Впобочных подгруппах сверху вниз уменьшаются металлические и восстановительные свойства элементов. В растворах d-элементы в высшей степени окисления представлены анионами, обычно кислородсодержащими. При этом соединения в высшей степени окисления проявляют кислотные и окислительные свойства. d-Элементы, имеющие невысокие значения электроотрицательности, склонны существовать в биосистемах в виде катионов

ипроявляют основные свойства. Амфотерные свойства характерны для соединений в промежуточных степенях окисления.

d-Элементы относятся к микроэлементам. Среди них незаменимые в основном элементы IVпериода; Mn, Fe, Zn, Cu, Co. Установлена физиологическая роль и некоторых других d-элементов этого периода: Ti, Cr, V. В организмах микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что кремний, алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец – в ионном виде.

Десять металлов (Mn, Fe, Zn, Cu, Co, Мо, Са, К, Na, Mg) жизненно необходимых для живого организма, получили название «металлы жизни». Так, установлено, что в организме человека массой 70 кг содержание «металлов жизни» составляет (в граммах): кальция – 1700, калия – 250, натрия – 70, магния – 42, железа – 5, цинка – 3, меди – 0,2, марганца, молибдена и кобальта, вместе взятых, – менее 0,1. В теле взрослого человека содержится около 3 кг минеральных солей, причем 5/6 этого количества (2,5 кг) приходится на долю костных тканей.

Для характеристики свойств элементов пользуются такими физическими единицами, как атомные и ионные радиусы, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.

Вбиологических системах атомы элементов, имеющие близкие значения атомных и ионных радиусов, энергию ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, способны заменять друг друга. Важным в этом отношении является также склонность к образованию химических связей с атомами одного и того же элемента. такое замещение может сопровождаться как усилением (синергизм), так и угнетением (антагонизм) физиологической активности элемента. Например, сходство лития с натрием обуславливает их взаимозаменяемость, которая, как правило, сопровождается синергизмом. Рубидий и цезий по своим физико-химическим характеристикам более близки к калию, в организме они также могу заменять друг друга. Кальций по своим свойствам близок к стронцию и барию. Эти ионы могут заменять кальций в

физико-химическим свойствам и в биосистемах выступают как синергисты. Среди галогенов фтор значительно отличается от других по электроотрицательности и почти не участвует в замещении атомов хлора, брома, йода, тогда как три последних галогена близки по свойствам и могут заменять друг друга в организме.

6

Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, т. е. микро- и макроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основным депо (запасником) для многих микроэлементов.

Элементы могут проявлять специфическое сродство по отношению к некоторым органам и содержатся в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод – в щитовидной, фтор – в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден – в почках, олово –

втканях кишечника, стронций – в предстательной железе, костной ткани, барий

– в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром – в гипофизе и т. д. Водород и кислород – макроэлементы. Они входят в состав воды, которой в организме взрослого человека в среднем содержится около 65 %. Вода неравномерно распределена по органам, тканям и биологическим жидкостям человека. Так, в желудочном соке, слюне, плазме крови, лимфе вода составляет от 99,5 до 90 %. В моче, сером веществе головного мозга, печени, коже, спинном мозге, мышцах, легких, сердце – 70 – 80 %. Меньше всего – 40 % воды содержится в скелете.

Макроэлементы – углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор – входят

всостав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Углерод, водород и кислород входят также в состав углеводов, содержание которых в тканях животных и человека невелико – примерно 2 %. Эти элементы входят в состав липидов (жиров). Кроме того, в состав фосфолипидов входит фосфор в виде фосфатных групп. В наибольшей степени липиды концентрируются в головном мозге (12 %), а затем в печени (5 %), молоке (2 – 3 %) и сыворотке крови (0,6 %). Однако основная часть фосфора – 600 г – содержится в костной ткани. Это составляет 85 % от массы всего фосфора, находящегося в организме человека. Концентрируется фосфор и

втвердых тканях зубов, в состав которых он входит вместе с кальцием, хлором, фтором в виде гидроксил-, хлор-, фторапатитов общей формулы Ca5(PO4)3X, где X = OH, Cl, F соответственно.

Кальций преимущественно концентрируется в костной ткани, а также и в зубной ткани. Натрий и хлор в основном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний – во внутриклеточных. В виде фторидов натрий и калий входят в состав костной и зубной ткани. Магний в виде фосфата Mg3(PO4)2 содержится в твердых тканях зуба.

Некоторые макроэлементы (магний, кальций) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами –

аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т. д. Так, ион Fe2+ в качестве комплексообразователя входит в состав гемоглобина, Co2+ – в витамин B12, Mg2+ – в хлорофилл. Известны многочисленные биокомплексы и других элементов (Cu, Zn, Mo и др.), играющие важную биологическую роль в организме.

7

Выявлены заболевания, связанные с недостатком или избытком элементов в организме человека. Так, при рахите происходит нарушение фосфорнокальциевого обмена, что приводит к снижению содержания кальция. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена уменьшается содержание кальция, натрия, хлора и повышается содержание магния, калия в организме. Дефицит меди служит одной из причин раковых заболеваний. В некоторых случаях поражение лёгких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Человеку причиняют вред лишь относительно большие количества соединений меди.

Такие закономерности обусловлены тем, что в организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов – химический гомеостаз. Нарушение этого баланса может приводить к различным заболеваниям.

В настоящее время твердо установлено, что недостаток определенных химических элементов в почве приводит, соответственно, к пониженному уровню этих элементов в организме людей, проживающих в данной местности, и к тем или иным заболеваниям. Заболевания, связанные с аномальным содержанием некоторых элементов в почве и воде определенных географических местностей (биогеохимических провинциях), называются эндемическими. Так, в Украине Карпаты и Крым являются геохимическими провинциями с пониженным содержанием йода, Кировоградская область – с повышенным содержанием урана.

Информация о содержании того или другого химического элемента в организме человека важна как для диагностики заболевания, так и для направления его лечения. Дефицит химических элементов в организме человека характеризуется определенными симптомами (табл. 2).

Таблица 2.

Характерные симптомы дефицита химических элементов в организме человека

Дефицит Типичный симптом элемента

Ca Замедление роста скелета Mg Мускульные судороги

Fe Анемия, нарушение иммунной системы

Zn Повреждение кожи, замедление роста, замедление сексуального созревания

Cu Слабость артерий, нарушение деятельности печени, вторичная анемия

Mn Бесплодность, ухудшение роста скелета

Mo Замедление клеточного роста, склонность к кариесу Co Злокачественная анемия

Ni Учащение депрессий, дерматиты Cr Симптомы диабета

8

Бурное техническое развитие цивилизации привело не только к созданию современных технологий, но и появлению экологических проблем. Окружающая среда загрязняется двумя путями: естественным или антропогенным, т.е. вследствие жизнедеятельности человека.

Естественные катастрофы – землетрясения, извержения вулканов и т.п. – сильно загрязняют окружающую среду. Но природа за много лет приспособилась к большинству естественных загрязнений и научилась их обезвреживать.

За годы технического прогресса участились техногенные катастрофы. Например, 26 апреля 1986 года произошла наибольшая ядерная авария. Радиоактивные вещества из реактора попали в атмосферу и образовали радиоактивное облако, размеры которого составляли 30 км в ширину и 100 км в

которым мы дышим, попадают в наш организм, что отрицательно сказывается на здоровье. В последние годы содержание СО2 в атмосфере резко увеличилось, что, по данным ученых, привело к повышению температуры на планете за последние 100 лет на 1 градус. В 1997 году в Киото на Международной конференции развитые страны мира подписали соглашение, по которому был установлен лимит на выбросы в атмосферу промышленных газов.

В практике санитарно-гигиенических, биохимических, клинических и контрольно-аналитических лабораторий для изучения качества питьевых и сточных вод, пищевых продуктов, воздуха, почвы методы качественного анализа занимают ведущее место. В клинических и биохимических лабораториях эти методы используют при изучении химического состава отдельных органов и тканей, обмене веществ в организме человека и животных в норме и при патологии. Химический анализ крови, мочи, желудочного сока и других биологических жидкостей облегчает диагностику заболевания и дает возможность наблюдать за течением заболевания в динамике.

В фармацевтической практике методы количественного и качественного анализа дают возможность установить чистоту препарата, то есть его пригодность для лечебных целей, контролировать процесс изготовления лекарств, как в условиях аптеки, так и заводского производства.

Поэтому овладение основами аналитических методов анализа является необходимым условием подготовки высококвалифицированных специалистов в медицине.

9

КАЧЕСТВЕННЫЕ РЕАКЦИИ НА БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И МЕТОДИКА ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ

Качественные реакции на катионы

1. Катион К+

Действие натрия гексанитрокобальтата (ІІІ) Na3[Co(NO2)6]

Na3[Co(NO2)6] в нейтральном или уксуснокислом растворе дает с ионами калия желтый кристаллический осадок калия-натрия гексанитрокобальтата (ІІІ):

2KCl + Na3[Co(NO2)6] = K2Na[Co(NO2)6]↓ + 2NaCl

в ионном виде:

2K+ + Na+ + [Co(NO2)6]3– = K2Na[Co(NO2)6]↓

Выполнение:

В пробирку поместить 3-4 капли раствора соли калия прибавить 2-3 капли раствора реактива. Если осадок не выпадает, дать смеси постоять. В щелочной среде реакцию проводить нельзя, так как разлагается сам реактив. Реакция чувствительна, ею пользуются для осаждения иона К+ из сыворотки крови при перманганатометрическом определении калия в крови.

2. Катион Са2+

Действие аммония оксалата (NH4)2C2O4

Этот реактив с солями кальция дает белый мелкокристаллический осадок оксалата кальция CaC2O4:

CaCl2 + (NH4)2C2O4 = CaC2O4↓ + 2NH4Cl

в ионном виде:

Ca2+ + C2O42– = CaC2O4↓

Выполнение:

К 5-6 каплям раствора соли кальция прибавить 5-6 капель реактива. Наблюдать выпадение осадка. Осадок CaC2O4 не растворим в уксусной кислоте, но легко растворяется в минеральных кислотах (испытать и написать уравнения). Рассмотренная реакция применяется для осаждения ионов Са2+ при определении кальция в моче и крови перманганатометрическим методом.

3. Катион Mg2+

Действие раствора натрия гидрофосфата Na2HPO4

Na2HPO4 в присутствии NH3·H2O и NH4Cl осаждает из растворов солей магния белый кристаллический осадок магния аммония фосфата:

MgCl2 + Na2HPO4 + NH3·H2O = MgNH4PO4↓ + 2NaCl + H2O

в ионном виде:

Mg2+ + HPO42– + NH3·H2O = MgNH4PO4↓ + H2O

Выполнение:

К 1-2 каплям раствора магния хлорида прибавить по 2 капли раствора NH4Cl; 2М раствора аммиака и 1 каплю раствора Na2HPO4. Реакция образования MgNH4PO4 применяется в биохимическом анализе для определения магния в крови.

10