реферат найти Гетероциклические соединения

В S-семейство объединены 14 элементов, имеющих валентные электроны на внешнем S-подуровне. S-элементы – первые два элемента каждого периода, составляющие главных подгрупп I и II групп и лишь гелий находится в VIII главной подгруппе. Для элементов I А подгруппы электронная формула внешнего уровня ns¹, а для II А – ns². В главных подгруппах в направлении сверху вниз радиус атома увеличивается, величина энергии ионизации уменьшается, следовательно, химическая активность и восстановительные свойства возрастают. Для элементов I А и II А подгруппы характерная степень окисления 1 и 2. Для водорода возможна степень окисления -1, при взаимодействии его с металлами s-семейства, поскольку водород в этом случае обладает наименьшей восстановительной активностью.

Элементы II А подгруппы проявляют степень окисления 2 будучи в возбужденном состоянии атома, при этом происходит гибридизация по типу SP, определяющей линейную структуру соединений.

Основными биоэлементами из s-семейства являются натрий, калий, магний и кальций, относятся к «металлам жизни». Биоэлементы в организме находятся в виде катионов со степенью окисления 1 и 2.

Ниже представлена более подробная характеристика биологического действия важнейших S-элементов.

Калий. Количество калия в организме зависит от возраста и пола. В среднем содержание калия в организме взрослого человека составляет около 0,23 % от общей массы тела (140 –180 г). Калий депонируется в организме (3-4 г ежедневно). Максимальное накопление отмечается у молодых мужчин, минимальное – у пожилых женщин. Калий распространен по всему организму. Основным депо являются мышцы, в которых сосредоточено до 80% внутриклеточного калия в концентрации 160 ммоль/л. Остальная часть внутриклеточного калия находится в печени, костях и эритроцитах. В тканях организма калий находится в следующих соотношениях: 0,4% – плазма крови, 1% -межклеточная жидкость и лимфа, 1%-трансцеллюлярная жидкость, 89,6% -внутриклеточная жидкость, 7,6% -костная ткань, 0,4% -плотная соединительная ткань и хрящ.

Калий является жизненно необходимым макроэлементом, локализованным преимущественно внутри клетки – 98% и во внеклеточной жидкости – 2%. Концентрация ионов К внутри клетки в 35 раз выше, чем вне её, а концентрация ионов Na во внеклеточной жидкости в 15 раз больше, чем внутри клетки. Поддержание такого неравномерного распределния этих ионов требует больших затрат энергии, поскольку перенос ионов через мембрану происходит против градиента их концентраций. Это реализуется с помощью калий-натриевого насоса, который за счет экзэргонической реакции гидролиза одной молекулы АТФ выводит три катиона натрия из клетки, а два катиона калия направляет внутрь клетки.

КАЛИЙ-НАТРИЕВЫЙ НАСОС

АТФ

Na

K

АДФ НРО₄^2-

Вследствие дисбаланса переносимых электрических зарядов внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно, а внешняя – положительно. Ионы К и Na активируют аденозинтрифосфатазу (АТФ-аза) клеточных мембран, обеспечивающую энергией калий-натриевый насос. Активация других ферментов за счет ионов К и Na заключается в поддержании фермента в функционально активном состоянии. Эти ионы оказывают существенное влияние на деятельность центральной нервной системы (ЦНС). Для оценки гомеостаза калия в организме используется содержание его в плазме крови (внутрисосудистый пул), который поддерживается у взрослого человека на уровне 3,5-5,0 ммоль/л. Изменения этого показателя достоверно отражают сдвиги содержания калия как в межклеточной жидкости, так и в клетках тканей. Состояние гипокалиемии отмечается при снижении калия ниже 3,5-3,8 ммоль/л и связано с увеличением потерь калия, например, при использовании диуретиков, кроме калийсберегающих. Гипокалиемия наблюдается при некоторых заболеваниях (диарея, рвота, гиперальдостеронизм и др.). Состояние гипокалиемии характеризуется усталостью, апатией, астенией, мышечной слабостью, сонливостью, парезами кишечника, и аритмиями (тахикардией), сопровождается метаболическим алкалозом. У детей гипокалиемия на фоне выраженного алкалоза приводит к задержке роста и развития. Гиперкалиемия, напротив, способствует ацидозу, связана с нарушением работы почек, сниженной продукцией альдостерона, наблюдается при гемолизе эритроцитов, некрозах тканей, злоупотреблении калий-содержащими препаратами (аспаркам, панангин и др.), калий-содержащими заменителями поваренной соли. При гиперкалиемии отмечается раздражительность, беспокойство, тошнота, непроходимость кишечника. Опасность для жизни представляет осложнение проводящей системы сердца, способного вызвать его остановку.

Ионы калия участвуют в поддержании кислотно – щелочного равновесия, водно – солевого баланса, нормального уровня кровяного давления, электрической активности мозга, функционировании нервной ткани, сокращении скелетных и сердечных мышц. Калий вызывает расширение сосудов внутренних органов и сужение периферических сосудов, что способствует усилению мочеотделения. Калий замедляет ритм сердечных сокращений и участвует в регулировании деятельности сердца.

Ионы калия – биологические антагонисты ионов натрия. Основными пищевыми источниками калия являются картофель, молочные продукты, мясо, курага, изюм, черный чай. Потребность в калии составляет 5 г/сутки. Калий депонируется в организме ежедневно в количестве 3-4 г, период полувыведения составляет 58 суток.

В медицине применяют несколько солей калия в качестве мочегонных и слабительных средств (ацетат калия, тартрат калия), широко используется йодистый, бромистый, марганцевокислый калий, аспарагинат, оротат, хлорид калия и другие соединения.

Натрий является основным внеклеточным ионом. Натрий обеспечивает постоянство осмотического давления биожидкостей (осмотического гомеостаза), в составе буферных систем регулирует рН внутренней среды организма в пределах физиологических норм. Ионы натрия оказывают влияние на деятельность ЦНС, участвуют в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток. Ионы натрия поддерживают нормальную возбудимость мышечных волокон за счет активации Na-K-АТФ–азы. Хлорид натрия (NaCI) служит основным источником выработки соляной кислоты (НСl – желудочный сок). Избыток ионов натрия приводит к задержке жидкости в организме, что вызывает отеки, способствует повышению давления. Катионы Na и K в живых системах являются антагонистами. Ионы К и Na обеспечивают работу калий -натриевого насоса.

Для восполнения суточной потребности в натрии (»1 г) достаточно 200 г хлеба. Практика присаливания пищи, употребление чипсов, соленых орешков и др. продуктов приводит к избыточному потреблению натрия (4-10 г).

В медицине NaCI применяют в виде изотонического 0,9 % раствора при обезвоживании организма и как дезинтоксикационное средство, а также для промывания ран, глаз, слизистой оболочки носа, для поднятия осмотического давления крови, в виде гипертонического 3 -5 % раствора в хирургии для очищения ран. Гипертонический 10 % раствор применяют внутривенно при легочных, желудочных, кишечных кровотечениях, а также для усиления диуреза (осмотический диурез) и в качестве полосканий при заболеваниях горла. Тиосульфат натрия используется в медицине для детоксикации, гидрокарбонат (пищевая сода) служит компонентом искусственных минеральных вод и лимонадов и входит в состав препаратов, которые используются для нейтрализации повышенной кислотности желудочного сока.

Литий относится к ультромикроэлементам. Ионы лития легко проникают через биологические мембраны, более всего лития обнаружено в лимфоузлах, легких, в меньшей степени в печени, цельной крови, мышцах, мозге, костях, надпочечниках. Литий способствует высвобождению магния из клеточных депо и тормозит передачу нервного импульса, снижая возбудимость нервной системы.

Литий обладает психотропными свойствами. Его применяют при депрессии, агрессивности, наркомании. Литий способен предупреждать атеросклероз, болезни сердца, а также диабет, гипертонию. С пищей и водой в организм поступает примерно 100 мкг лития в сутки. Пищевыми источниками лития являются картофель и помидоры. Медицинское применение соединений лития ограничено. Соли лития (карбонат лития) используются при лечении маниакально – депрессивных психозов.

Кальций распределяется в организме неравномерно: около 99% приходится на костную ткань и лишь 1% содержится в других тканях. Однако этот 1% кальция играет исключительно важную метаболическую регуляторную функцию. Внутриклеточная концентрация кальция в 10⁴ раз ниже его во внеклеточной жидкости и плазме крови. Это связано с тем, что именно кальций является ключевым внутриклеточным регулятором метаболизма. Ион Са² функционирует как важнейший внутриклеточный сигнальный фактор (вторичный посредник), контролирующий наряду с органическими соединениями (в частности, ц-АМФ) процессы внутриклеточной сигнализации и управления функциями клетки. Кальций важен также для реализации межклеточных контактов, функционирования клеточных мембран, передачи нервного импульса и мышечного сокращения, регуляции сердечного ритма. Кальций. проявляют выраженное противовоспалительное и антиаллергенное действие, повышает возбудимость ЦНС, воздействует на функции эндокринных желез, усиливает действие вазопрессина, регулирующего тонус сосудов.. Поддержание физиологически низкой концентрации кальция внутри клетки (10^-7 ммоль/л) определяется нормальным функционированием кальциевых каналов и ионных насосов (Са -АТФазы) клеточных мембран. Известно, что блокаторы кальциевых каналов и другие антагонисты кальция (магний, калий) препятствуют избыточному поступлению кальция внутрь клеток и повышению его внутриклеточной концентрации. При увеличении концентрации кальция в плазме крови его количество внутри клетки может снижаться, что связано с с активацией внеклеточным кальцием калиевых каналов (кальцийзависимых). Это приводит к гиперполяризации клеточной мембраны, обусловленной поступлением в клетки калия и как результат к блокаде кальциевых каналов. Снижение внутриклеточного кальция в клетках стенок сосудов обуславливает снижение сосудистого тонуса. Кальций – компонент каскадного механизма свертывания крови (активирует превращение протромбина в тромбин, фибриногена в фибрин, ускоряет агрегацию тромбоцитов). Уменьшение концентрации кальция в тромбоцитах препятствует тромбообразованию.

В костной ткани кальций находится в виде минерала гидроксиапатита Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, обеспечивающего прочность ногтей и зубов. Костная ткань выполняет функцию «депо» кальция в организме. Под действием кислот, вырабатываемых бактериями, может происходить растворение гидроксиапатита, что приводит к кариесу.

Са₁₀(РО₄)₆ (ОН)₂ 14Н ¾® 10Са² 6Н₂РО₄^– 2Н₂О

Недостаток кальция в организме вызывает судороги, у детей может развиваться рахит, у пожилых людей остеопороз. При избытке кальция возникает опасность остановки сердца, увеличивается свертываемость крови. Метаболизм кальция в организме регулируется паратгормоном (гормоном околощитовидных желез), кальцитонином (гормоном щитовидной железы), метаболитами кальциферолов (витаминами группы D). Паратгормон влияет на содержание кальция в крови. Недостаточное потребление кальция вызывает выделение паратгормона, который стимулирует выведение кальция из костной ткани в кровь, способствуя деминерализации костей (остеопороз, рахит). Одновременно паратгормон регулирует всасывание кальция в кишечнике и реасорбцию кальция в почках.

Суточная потребность в ионах кальция 0,8 – 1,5 г, у беременных 3 – 4 г. Значительное количество кальция присутствует в молочных продуктах, меньшее в огородной зелени, овощах, орехах и рыбе. Низкому усвоению и потере кальция способствует избыточное поступление фосфатов с пищей, прием высоких доз витамина А, противосудорожных и стероидных препаратов.

В медицине используют многие соединения кальция (хлорид, глюконат, оксид, цитрат, аспартат, доломит, глицерофосфат, комбинация солей кальция с витамином Д, карбонат). Кальций входит в состав витамина В_15.

Магний по содержанию его в организме занимает 4 место после К , Na , Са , его количество достигает 140 г магния (0,2 % от массы тела). Главное депо магния находится в костях (60%), из этого количества (20-30)% может быть при необходимости мобилизовано для поддержания магниевого гомеостаза организма.

Магний является важнейшим внутриклеточным элементом. Он участвует в обменных процессах совместно с калием, натрием, кальцием. Магний является кофактором многих сотен ферментативных реакций. Магний принимает участие в метаболизме углеводов, высших жирных кислот, аминокислот, влияет на важнейшие стадии биосинтеза белка, биосинтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Нормальный уровень магния в организме необходим для обеспечения энергетики жизненно важных процессов, регуляции нервно – мышечной проводимости, тонуса гладкой мускулатуры (сосудов, кишечника, желчного и мочевого пузыря и т. д.). Магний стимулирует образование белков, снижает возбуждение в нервных клетках. Магний участвует в процессах генерации и использования энергии, поскольку аккумулятором и и источником энергии любой клетки является макроэргическая молекула аденозинтрифосфат (АТФ), функционирующая в виде соли АТФ-Мg. Именно поэтому, чем выше метаболическая активность клетки, тем выше потребность в магнии. Магний и кальций антагонисты, эти два элемента легко вытесняют друг друга из соединений.

Магний поступает в организм с пищей и водой. Суточная потребность в магнии (400-600 мг) равна половине потребности в кальции, выполнение этого соотношения физиологически обосновано. Особенно богата магнием растительная пища, что связано с нахождением магния в структуре хлорофилла. В медицине препараты магния применяют для снижения нервной возбудимости, в качестве препаратов седативного, а также гипотензивного действия, официальных антиаритмических средств. При ишемической болезни сердца магний используют для расширения сосудов, улучшения кислородного обеспечения миокарда, снятия кардоспазма. Карбонат магния, оксид магния применяют при повышенной кислотности желудочного сока. Сульфат магния применяют в качестве слабительного, желчегонного и болеутоляющего средства при спазмах желчного пузыря. Раствор сернокислого магния используют также как противосудорожный препарат, как антиспастическое средство при задержке мочеиспускания, бронхиальной астме, гипертонической болезни.

Стронций является токсичным ультромикроэлементом. В организме взрослого человека находится около 320 мг стронция. Наибольшее количество его в костях (99 %), меньше в лимфатических узлах, легких, яичниках, печени и почках. В организм поступает с растительной пищей, также содержится в костях и хрящах. При избыточном поступлении стронция возникает «стронциевый рахит» или «уровская болезнь», повышенная ломкость костей за счет замещения ионов кальция на стронций в костной ткани. Это эндемическое заболевание, впервые обнаруженное у населения, проживающего у реки Уров в Восточной Сибири. Образующийся при ядерных взрывах радиоактивный изотоп ⁹⁰Sr вызывает лучевую болезнь. Он поражает костную ткань и особенно костный мозг. Накапливание ⁹⁰Sr в атмосфере и организме человека способствует развитию лейкимии и рака костей.

Барийявляется токсичным ультрамикроэлементом. Механизм токсического действия солей бария заключается в том, что ионы бария, имея одинаковый радиус с ионом калия, конкурируют с ним в биохимических процессах. Концентрируется барий преимущественно в сетчатке глаза. Ионы бария могут проникать и в костные ткани, вызывая эндемические заболевания (например, болезнь па – пинг). В медицине для рентгеновской диагностики заболеваний пищеварительного тракта применяют сульфат бария. Он не подвергается гидролизу, не растворяется в соляной кислоте желудочного сока, вследствие чего не проявляет токсического действия при приеме внутрь, но способен сильно поглощать рентгеновские лучи.

Бериллий относится к группе токсических ультрамикроэлементов. В организм поступает как с пищей, так и через легкие. Общее количество в теле взрослого человека колеблется от 0,4 до 40 мкг. Бериллий постоянно присутствует в крови, костной и мышечной ткани, легких, печени, лимфатических узлах, костях, миокарде. Бериллий принимает участие в регуляции фосфорно – кальциевого обмена, поддержании иммунного статуса организма. Все соединения бериллия ядовиты. Тканями – мишенями для бериллия являются слизистые оболочки человека, а также кожные покровы. В результате избыточного поступления солей бериллия в организм возникает заболевание «бериллиевый рахит». Бериллий является антагонистом магния, поэтому при отравлении солями бериллия вводят избыток солей магния.

К d-элементам относятся 32 элемента периодической системы с III по II группы побочных подгрупп. Валентные электроны расположены на ns² (n–1)d^a, где а = 1 до 10, то есть они находятся на предвнешнем энергетическом уровне.

В побочных подгруппах в направлении сверху вниз уменьшается радиус атома за счет «d-сжатия», возрастает энергия ионизации, что приводит к снижению химической активности металлов.

Все атомы d-элементов, за исключением II Б подгруппы имеют незавершенный d-подуровень, поэтому они проявляют разные степени окисления, но высшая степень окисления соответствует номеру группы, в которой находится элемент.

При проявлении разных степеней окисления у элемента проявляется следующая закономерность: низшие степени окисления обуславливают основные и восстановительные свойства, в высших – проявляются кислотные и окислительные свойства, амфотерный характер типичен для элементов в промежуточными степенями окисления. У d-элементов отсутствуют отрицательные степени окисления. В побочных подгруппах в направлении сверху вниз увеличивается устойчивость соединений с наибольшей степенью окисления.

В организме человека d-элементы находятся, как правило в низших степенях окисления, соединения с высшими степенями окисления очень токсичны. Шесть элементов d-семейства составляют второй остров «металлов жизни» (Fe, Co, Mn Cu, Zn, Mo). «Металлы жизни» в организме находятся в виде катионов и располагают вакантными (акцепторными) атомными орбиталями и являются комплексообразователями, образуя аквакомплексы, а чаще внутрикомплексные соединения, называемые биокластерами. В живых организмах большинство катионов d-металлов связано с белками, что определяет структуру и функцию ферментов. Ферменты, благодаря их трехмерной структуре работают как высокоспецифические катализаторы с огромным каталитическим эффектом. Но такие d-элементы, как ртуть и кадмий являются ингибиторами, а порой каталитическими ядами для ферментов.

Ниже описано биологическое действие важнейших элементов d-блока.

Железо Общая масса железа в организме взрослого человека примерно 5г, что составляет 0,007%. Наиболее важными железосодержащими соединениями являются: гемоглобин, включающий железо в форме (Fe² ), ферменты (каталаза и пероксидаза, содержащие ферри-форму (Fe³ ), 50 видов цитохромов, в активном центре которых может содержаться как Fe² , так и Fe³ .

Гемоглобин – это сложный белок, в котором в качестве простетической (небелковой) группы содержится гем, представляющий собой бионеорганический комплекс Fe² с полициклическим органическим веществом – порфирином. Ион железа имеет координационное число 6. Гемоглобин обратимо связывает кислород и переносит его от легких к тканям.

[Hb´Fe² ] О₂ [HbFe² ´O₂]

Дезоксигемоглобин Оксигемоглобин

Благодаря оксигемоглобину 1 литр крови переносит 250 мл кислорода. При вдыхании «угарного газа», СО связывается с гемоглобином и оксигемоглобином с образованием в 210 раз более устойчивого комплекса карбоксигемоглобина НHbCO. В связи с этим происходит отравление организма.

HHb CO ¾® HНbCO;

HHbO₂ CO ¾® HHbCO O₂

Смертельно опасная концентрация СO составляет 2 мг/л при 60 минутной экспозиции и 5 мг/л – при 5 минутной. Отмечается высокое содержание (HHbCO) в крови курильщиков, которое может достигать 5% (от содержания гемоглобина), тогда как у некурящих его уровень не превышает 0,3-0,5%.

При действии нитритов, нитратов, NO₂, H₂O₂, O₃ происходит окисление в гемоглобине катиона Fe² до Fe³ , что приводит к образованию метгемоглобина (метHHb), неспособного переносить кислород.

HHb(Fe² ) ¾® мет HHb(Fe³ ) H е

восстановитель окислитель

Нитраты в организме восстанавливаются до нитритов, способных окислять (HHb) с образованием NO и различных активных форм кислорода

HHb(Fe² ) NO₂^– 2H ¾® метHHb(Fe³ ) NO H₂O

HHb NO ¾® HНbNO (нитрозогемоглобин).

В состав цитохромов (ЦХ) – ферментов класса оксидоредуктаз, входит железо или медь. ЦХ обеспечивают работу электронотранспортных цепей при окислительном фосфорилировании:

ЦХ Fe³ 1 e ¾ ЦХ´Fe² ;

ЦХCu² 1 e ЦХCu

Каталаза – фермент, ускоряющий разрушение пероксидов (Н₂О₂, ROOH), имеют в структуре Fе³ . 1 молекула каталазы разлагает 44000 молекул Н₂О₂ за 1 секунду .

2 Н₂О₂ каталаза ¾® 2Н₂О О₂

Фермент пероксидаза ускоряет реакцию окисления органических веществ с участием Н₂О₂ .

В органах и тканях имеется депонированное (запасенное) железо, которое используется при его дефиците. Железо запасается с помощью белка ферритина и может транспортироваться через мембраны в виде железосодержащих белков трансферринов или в виде комплексов с аминокислотами.

В организм человека железо поступает с пищей. Пищевые продукты животного происхождения содержат железо в наиболее легко усвояемой форме.Большое количество железа содержится в говядине, печени, рыбе (тунец), горохе, листовой зелени. Суточная потребность в железе составляет 1 мг, при его недостатке возникает железодефицитная анемия.

В медицине препараты на основе различных солей двух- и трехвалентного железа, а также железосодержащие БАД применяются для восполнения относительного или абсолютного дефицита железа в ситуациях, связанных с увеличенной потребностью организма в этом биоэлементе (беременность, лактация, кровопотери, периоды роста и развития).

Кобальт является жизненно необходимым микроэлементом для человека и животных. Кобальт, в виде иона Co³ входит в структуру витамина В₁₂ (цианокоболамина).Витамин В₁₂ является сложным азотсодержащим органическим комплексом трехвалентного кобальта с координационным числом шесть. Кобальт занимает в цианкобламине такое же положение, как железо в гемоглобине. Витамин В₁₂ является переносчиком метильных групп, ионов водорода. При этом происходит окислительно-восстановительная реакция : е

HR·Co³ R·Co² H

Кроме процессов кроветворения кобальт влияет на минеральный, углеводный, белковый и жировой обмен. Витамин В₁₂ необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов, синтеза аминокислот, белков, РНК, ДНК и других соединений, без которых нормальное развитие организма невозможно. Кобальт активирует некоторые ферменты, например, карбоангидразу, карбопепсидазу, фосфатазу, каталазу, карбоксилазу, угнетает цитохромоксидазу и синтез тироксина. Со² является переносчиком метильных групп и протонов.

Накапливается витамин В₁₂ в печени. Его недостаток в организме вызывает злокачественную анемию. Растения и животные не могут синтезировать витамин В₁₂. Его вырабатывают лишь некоторые виды бактерий. В желудочно-кишечном тракте человека такие бактерии имеются. Они синтезируют достаточное количество витамин В₁₂ .

Цианокобаламин

Злокачественная анемия связана с нарушением всасывания этого витамина в кровь. Поэтому прием таблеток мало эффективно. Инъекция (100 – 200 мкг в течение двух суток) в кровь существенно улучшает состояние больного при злокачественной анемии. Избыток кобальта может вызвать кардиомиопатию, может проявляться эмбриотоксическое действие (вплоть до внутриутробной гибели плода). Суточная потребность составляет около 3 мкг. Источниками является печень, говяжье сердце, почки, а также моллюски, устрицы, сардины, из растений – шиповник. В меньшем количестве содержится в молоке, хлебе, овощах, бобовых культурах.

В медицине соли кобальта в составе витаминно-минеральных комплексов используются для лечения и профилактики различных заболеваний. Витамин В₁₂ используется при лечении анемий: постгеморрагических и железодефицитных, вызванных токсическими и лекарственными веществами, при заболеваниях нервной системы, кожных болезнях. Хлористый кобальт в виде 20 % раствора используется при лечении гипертонической болезни. Радиоактивные изотопы кобальта применяют в радиоизотопной диагностике и при лучевой терапии.

Медь относится к металлам жизни. Общая масса меди в организме человека примерно 100 – 200 мг, что составляет около 10^-4 %. Примерно 30% микроэлемента содержится в мышцах. Печень и мозг, трубчатые кости, надпочечники, половые железы также богаты медью. Медь входит в состав более 25 медьсодержащих белков и ферментов, называемых оксигеназами (Е₁) и гидроксилазами (Е), активирующих процесс окисления органических соединений. Гидроксилазы (Е) присоединяют только один атом кислорода:

Е О₂ ¾® Е-О^– [O]

Оксигеназы (Е₁) присоединяют оба атома кислорода с образованием пероксидной цепочки:

O-

[Е₁´Сu ] О₂ ¾® Е₁´Cu² R–CН₂–OH ®R–COOH [E₁´Cu ] H₂O

Фермент O- Субстрат

Медьсодержащие ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции с переносом электронов и Н , называются оксидазами. К ним относят цитохромоксидазу (ЦХО), которая катализирует завершающий этап тканевого дыхания за счет переноса электронов на кислород.

Медьсодержащая супероксиддисмутаза (СОД) ускоряет разложение супероксид-иона О₂^– по схеме:

[СОД´Cu² ] O₂^– ¾® [СОД´Cu ] O₂

[СОД´Cu ] O₂^– 2Н ¾® [СОД´Cu² ] H₂O₂,

Образующийся пероксид водорода менее токсичен, разлагается каталазой.

Известно, что 98 % ионов меди содержится в церулоплазмине [ЦПCu² ] – белке плазмы крови, регулирующим баланс меди, обеспечивающим выведение её избытка. Церулоплазмин катализирует окисление Fe² в Fe³ по схеме:

О₂ 4 е- 4Н

Fe² [ЦПCu² ] ¾® Fe³ [ЦПCu ] ¾¾¾¾¾¾®2H₂O

(I) (II)

Церулоплазмин принимает участие в кроветворении. В дальнейшем II катализирует восстановление кислорода. Суточная потребность в ионах меди 2-3 мг, при избыточном поступлении возникает болезнь Коновалова-Вильсона, при недостаточном – медная анемия (лизуха или атаксия), которая выражается в бледности кожи, заметными венами, кишечными расстройствами, снижением устойчивости к инфекциям, хрупкостью костей, нарушением координации движения. Потребность в меди возрастает при воспалительных заболеваниях и склонности человека к болезням суставов. Медь, цинк и железо оказывают синергическое действие друг на друга. Поэтому при ликвидации дефицита одного из этих элементов важно включать в рацион питания источники двух других минералов.

Металлическая медь и ее соединения токсичны. Растворимые соли меди образуют нерастворимые комплексы (биокластеры хелатного типа) при взаимодействии с тиольными группами (связывание), и аминогруппами (блокирование) белков.

Летальной дозой является 2 г CuSO₄´5H₂O. В организм медь поступает в основном с пищей.

Цинк относится к микроэлементам. В организме взрослого человека содержится 1,8 г цинка, т.е. 2,4∙10^-3%. Цинк можно обнаружить во всех органах и тканях, но наибольшее его количество содержится в предстательной железе, сперме, коже, волосах, мышечной ткани, клетках крови. В организм цинк попадает с пищей. Биологическая роль цинка установлена около 120 лет назад, хотя ранозаживляющие свойства цинка были известны египтянам более 5000 лет назад. Цинк является кофактором большой группы ферментов (более 80 металлоферментов) и необходим для нормального протекания многих биохимических процессов. Цинк входит в состав инсулина, ферментов: карбоангидразы, карбопепсидазы, щелочной фосфатазы, алкогольдегидрогеназы, лактатдегидрогеназы, δ-аминолевулинатсинтетазы, коллагеназы .

Карбоангидраза катализирует обратимую гидратацию углекислого газа:

СО₂ Н₂О ¾® Н₂СО₃ ¾® Н НСО₃^–

Карбопепсидаза катализирует процесс гидролиза пептидной связи:

R₁―CO―NH―R₂ H₂O ¾® R₁COOH R₂ NH₂

С участием щелочной фосфатазы осуществляется гидролиз, либо перенос фосфорного остатка в реакциях фосфорилирования. Фермент принимает участие в процессах кальцифицирования костной ткани.

δ-Аминолевулинатсинтетаза –Zn –зависимый фермент, катализирующий ключевую реакцию биосинтеза порфиринового ядра гема. Порфириновый цикл входит в структуру гемоглобина, цитохромов, фермента каталазы, цианокобаламина (витамина В₁₂). Цинк участвует в обмене фолиевой кислоты, оказывая влияние на кроветворение. С учетом указанных свойств объяснимо развитие анемии при недостатке цинка в организме.

Ионы цинка входят в состав алкогольдегидрогеназы – фермента, участвующего в процессах окислительно-восстановительного превращения спиртовой группы в органических субстратах, лекарственных препаратах и этиловом спирте. Указанный фермент играет ключевую роль в окислении этилового спирта до уксусного альдегида. От обеспеченности цинком зависит не только активность, но и количество фермента. Цинк оказывает влияние на предрасположенность организма к алкоголизму.

Цинк является структурным и функциональным компонентом одного из ферментов углеводного обмена – лактатдегидрогеназы, контролирующего обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную кислоту –завершающей стадии анаэробного метаболизма глюкозы.

Цинк включен в состав коллагеназы, участвующей в метаболизме коллагена – важнейшего компонента соединительной ткани, составляющей структуру костей, зубов, связок, стенок сосудов, кожи, вещества хрусталика глаза. Цинк-содержащим является ретинолсвязывающий белок крови, транспортирующий витамин А из печени к тканям. Витамин А влияет на процессы пролиферации, лежащие в основе язво- и ранозащивляющего действия витамина А. В присутствии цинка хорошо лечатся труднозаживающие, послеоперационные раны, ожоги, в том числе у больных диабетом или с нарушенным кровообращением.

Немаловажное значение имеет также разноплановое влияние цинка на процессы свободнорадикального окисления, протекающие в организме человека. Цинк (вместе с медью) является кофактором важного антиоксидантного фермента Zn,Cu-супероксиддисмутазы, препятствующей образованию чрезвычайно активных гидроксильных радикалов, синглентного кислорода, повреждающих биологические мембраны, белки, нуклеиновые кислоты. Способствуя обеспечению организма витамином А, проявляющим антиоксидантные свойства, цинк косвенно оказывает влияние на антиоксидантную систему организма. Кроме того, цинк является индуктором серусодержащих белков – металлотионеинов, связывающих тяжелые металлы. Показано, что металлотинеины проявляют антиоксидантную активность. Таким образом, цинк относят к антиоксидантным факторам репаративного действия, оказывающим благотворное влияние на состояние кожи, зрения, определяющим противовоспалительное, противоязвенное, рано- и язвозаживляющее действие элемента. При обогащении диеты цинком уменьшается концентрация окисленных липидов, в том числе атерогенных липопротеинов низкой плотности. Антиоксидантными эффектами объясняют защитное действие цинка на почки.

Исключительно велико влияние цинка на гормональные функции организма. Цинк влияет на продукцию и действие андрогенов и эстрогенов, продукцию и функцию инсулина, состояние тимуса и продукцию его гормонов, что тесно связано с функционированием иммунной системы организма. Известно влияние цинка на состояние половой функции у мужчин, включая активность половых гормонов и сперматогенез. Дефицит цинка отрицательно сказывается на функциях тестикул, вплоть до их атрофии (при длительном дефиците микроэлемента), уровне тестостерона в крови, обуславливая олигоспермию. Прослеживается прямая связь между уровнем цинка и потенцией у мужчин. В пожилом возрасте дефицит цинка может стать причиной гиперплазии простаты, вплоть до аденомы. Молекулярная основа этих процессов – функционирование цинка как ингибитора фермента 5ά-редуктазы, контролирующего восстановление тестостерона до дигидротестостерона и поддерживающего достаточный уровень полового гормона. Избыточный уровень дигидротестостерона как следствие дефицита цинка стимулирует пролиферативные процессы и разрастание простаты.

Потребность в цинке у мужчин выше, чем у женщин, поскольку мужской организм теряет со спермой значительное количество цинка, что без адекватного восполнения может привести к его дефициту. Применение диуретиков может привести к потерям цинка и проявлению его недостаточности. У женщин дефицит цинка в пожилом возрасте способствует прогрессированию остеопороза. В юношеском возрасте недостаток цинка приводит к нарушению обмена веществ в коже и появлению юношеских угрей. При этом препараты цинка в качестве средств профилактики и лечения заболевания весьма эффективны.

С цинком связано действие гормона инсулина. Процессы его биосинтеза, транспорт, биотрансформация и действие связаны с обеспеченностью организма цинком. Цинк имеет исключительное значение для регулирования обмен веществ в целом, а также для профилактики и лечения сахарного диабета.

Цинк жизненно важен для функционирования тимуса как железы, регулирующей иммунные функции организма. Цинк поддерживает состояние железы, не допуская ее инволюции с возрастом. Таким образом, цинк – один из важнейших микроэлементов, необходимых для нормального развития и функционирования иммунной системы организма.

Известны данные о роли цинка в функционировании мозга и его способностях к запоминанию и в поведенческих реакциях.

В медицине цинк применяют в радиоизотопной диагностике. Сульфат цинка используют при определении свертываемости крови. Соли цинка с аспарагиновой, пиколиновой кислотами широко применяются в дерматологии, эндокринологии, при лечении иммуноддефицитных состояний.

Суточная потребность в цинке составляет 10-15 мг, при беременности и лактации – 20-25 мг. Наибольшее содержание цинка в пищевых продуктах отмечается в устрицах (60-1000 мг/кг), мясе -20-40 мг/кг), рыбопродуктах (15-30 мг/кг), зерновых (25-30 мг/кг), семенах тыквы. Однако, фитиновая кислота, содержащаяся в зерновых и сое, связывает цинк и другие минералы в неусвояемые металлофитиновые производные.

Хром – жизненно важный микроэлемент, являющийся постоянной составной частью клеток всех органов и тканей. Характеризуется самым малым содержанием в организме 6 -12 мг хрома. Наибольшее количество хрома присутствует в печени, почках, кишечнике, щитовидной железе, хрящевой и костной ткани, в легких. В организме хром участвует в регуляции синтеза жиров и обмена углеводов, оказывает активное влияние на усвояемость глюкозы и уровень сахара в крови. Этот элемент получил название «фактора толерантности к глюкозе», поскольку обеспечивает нормальную активность инсулина. Хром участвует в регуляции работы сердечной мышцы и функционировании кровеносных сосудов. Биологическое действие проявляют только Сr³ , производные хрома VI обладают токсическими и канцерогенными свойствами (0,25 – 0,3 г бихромата калия вызывают летальный исход), соединения хрома III и хрома VI на хромовых производствах вызывают раздражение кожи и дерматиты.

В организм хром поступает с пищей, водой и воздухом. В желудочно-кишечном тракте всасывается лишь 25 % органических соединений хрома, усвояемость неорганических солей составляет всего 0,5-0,7 % от их количества, поступающего с пищей. Введение Cr³ в рацион восстанавливает нормальную толерантность к глюкозе, вызывает снижение уровня холестерина, что является важным фактором профилактики атеросклероза. Предполагаемая суточная потребность составляет 200 мкг/сутки. Наибольшее количество хрома содержится в пекарских дрожжах, печени, пшеничной муке грубого помола.

В медицине изотопы хрома используются в радиоизотопной диагностике. Пиколинат и аспарагинат хрома используют в витаминно – минеральных комплексах.

Марганец. В теле взрослого человека содержится 12мг микроэлемента. В организме присутствует в виде ионов Мn² или его комплексов с белками, нуклеиновыми кислотами, АТФ, АДФ и аминокислотами. Марганец участвует в процессах аккумуляции и переноса энергии, в формировании скелета, в иммунных реакциях, в кроветворении, тканевом дыхании, участвует в синтезе витаминов группы В, в растениях – в синтезе витамина С и хлорофилла. Катион Мn² влияет на активность многих витаминов, ферментов и гормонов, Мn² входит в состав металлоферментов (аргиназы, фосфоглюкомутазы, пирувата, карбоксилазы, холинэстеразы) способствуют активации большого числа ферментов разных классов: трансфераз, гидролаз, изомераз. Ионы Мn² стабилизируют конформацию нуклеиновых кислот, участвуют в процессах репликации ДНК, синтезе РНК и белка. Марганец может входить и в состав неорганических соединений в организме, например, малорастворимый марганец магний пирифосфат МnМgР₂О₇. В организме магний и марганец могут замещать друг друга в биохимических процессах. Таким образом, биогенная функция ионов марганца имеет широкий спектр: оказывает влияние на кроветворение, образование костей, минеральный обмен, рост, размножение и некоторые другие функции. Еще одна особенность ионов Мn² – универсализм, так как он может выполнять каталитическую функцию подобно Cu² , Fe² , Zn² , но в тоже время действовать подобно Мg² и Са² . В отличие от Мn^{2 ,}, катион Мn³ очень прочно связывается с белками, причем преимущественно с кислородными донорными группами, и поэтому Мn³ совместно с Fe³ входит в состав трансферина, супероксиддисмутазы и кислотной фосфотазы. т.е. в состав типичных металлопротеинов. Почти одинаковое значение атомного радиуса марганца и железа объясняет способность марганца замещать железо в порфириновом комплексе эритроцита. По той же причине марганец может замещать и цинк в цинкзависимых ферментах, изменяя при этом их каталитические свойства.

Особое значение Мg² имеет в реализации функции половых желез, опорно-двигательного аппарата, нервной системы. Считается, что микроэлемент оказывает защитное действие в отношении недостаточности венечных артерий сердца важен для профилактики диабета, патологии шишковидной железы, нарушений углеводного и липидного обмена. Суточная потребность – 5-7 мг, минимальная -2-3 мг. С возрастом усвояемость Мg² уменьшается, после 50 лет возможен дефицит этого элемента. Основной источник – злаковые, бобовые, орехи. Особенно богаты Мg² чай и кофе. 1 чашка чая содержит 1,3 мг, однако его усвояемость составляет 37-63 % от его содержания в рационе.

В медицине наружно применяются водные растворы перманганат калия KМnO₄ в качестве антисептического средства для полосканий, спринцеваний, смазывания язвенных и ожоговых поверхностей, промывания мочевого пузыря и мочевыводящих путей.

Молибден относится к металлам жизни, поступает в организм с пищей. В крови около 80 % молибдена связывается с белками и транспортируется по всему организму. Молибден концентрируется в печени, а в крови распределяется равномерно между форменными элементами и плазмой. В биохимических процессах молибден участвует в степенях окисления 5 и 6. Молибден входит в состав ферментов ксантиноксидазы, ксантингидрогиназы, альдегиддегидроксидазы, альдегидоксидазы, сульфитоксидазы, нитратредуктазы, участвующих в процессах детоксикации ксенобиотиков. Ксантиноксидаза (КОКС) катализирует окисление ксантина и гипоксантина до мочевой кислоты, альдегидов до кислот.

H₂O

R–COH KOKC·Mo⁶ → H₃O OCR–KOKC·Mo⁴ →

→ RCOOH KOKC·Mo⁶ 2H

Избыточное содержание молибдена в пище нарушает метаболизм Са² и РО₄^3-, вызывая снижение прочности костей – остеопороз. С кальцием анионы фосфорномолебденовых комплексов дают нерастворимые соли и эти кристаллики инициируют отложения солей мочевой кислоты, вызывая заболевания подагрой. Подагра деформирует суставы, оправдывая свой буквальный перевод как «капкан для ног».

Молибден способствует задержанию в организме фтора и, таким образом, препятствует развитию кариеса. Суточный прием – 200 мкг. Источниками являются печень, почки, горох, капуста цветная, зеленый горошек, пивные дрожжи, овес.

В медицине применяют радиоизотопы молибдена, изучается эффективность применения тетрамолибдата аммония для лечения новообразований головного мозга и мужского бесплодия.

Серебро. В организме взрослого человека обнаруживается около 1 мг серебра, т.е. примерно 10^-6 %. Антисептические свойства растворимых солей серебра известны с древних времен. В воде, хранящейся в серебряных сосудах долго не развиваются микроорганизмы. Токсическое действие растворимых соединений серебра обусловлено взаимодействием ионов серебра с серо – и азотсодержащими группами белков, нуклеиновых кислот и других биоорганических веществ. Сильные токсические проявления у взрослого человека наблюдаются при приеме внутрь 7г АgNO₃.В медицине используют такие препараты серебра, как АgNO₃ (ляпис) и его водные растворы, препараты коллоидного металлического серебра протаргол (8% Аg) и колларгол (70% Аg). Препараты серебра применяют как противовоспалительные, антисептические и вяжущие средства.

Никель является микроэлементом. В организм соединения никеля поступают с пищей. Между тканями организма распределяется равномерно, только в легких его содержание с возрастом увеличивается. В плазме крови ионы никеля находятся в основном в связанном состоянии с белками. Депонируется никель в поджелудочной и околощитовидных железах. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты. Ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Никель может угнетать действие адреналина, снижать артериальное давление, повышать гипогликемическую активность инсулина. Избыточное поступление в организм никеля может вызвать аллергию и депигментацию кожи (витилиго).

В медицине никель применяется при изготовлении имплантантов.

Кадмий – токсический примесный микроэлемент. В организме человека содержится 50 мг кадмия т.е. 7∙10^-5%. Пищевыми источниками кадмия являются мидии и устрицы, злаки и листовые овощи. Кадмий аккумулируется в основном в почках, печени и двенадцатиперстной кишке. С возрастом содержание кадмия в организме увеличивается, особенно у мужчин. Физиологическая роль его изучена недостаточно. Кадмий обнаруживается в составе металлтионеина – белка, для которого характерно высокое содержание сульфгидрильных групп и тяжелых металлов. Соединения кадмия ядовиты.

В медицинских целях сульфат кадмия используют при проведении исследований свертываемости крови.

Ртуть относится к токсическим микроэлементам, порог токсичности 0,4 мг, а летальная доза 0,15 – 0,3 г. В организме человека содержится 1мг ртути, т.е. 2 10^-5%. Соединения ртути поступают в организм человека с морской рыбой, морепродуктами и рисом. Ртуть обнаружена во всех органах и тканях организма человека.

В природе наиболее распространены три формы ртути: элементная ртуть Hg^o, двухвалентная Hg² и органическая форма – метилртутный катион СН₃Hg . Загрязнение окружающей среды соединениями ртути связанно с обогащением руд, процессами получения хлора, ртутных батарей, красок, пестицидов и т.д. Так, например, использование антиобрастающих красок для покрытия корпусов кораблей, вследствие прямого выщелачивания фенилртутных соединений ведет к загрязнению водной среды. Еще одним распространенным источником ртути являются люминесцентные лампы. Одна лампа содержит около 150 мг ртути и при разгерметизации способна загрязнить ртутью 500 тысяч м³ воздуха на уровне ПДК.

Металлорганические соединения обладают в целом большим токсичным действием, чем соответствующие неорганические соли. Органические соединения ртути относятся к классу суперэкотоксикантов. Образование высокотоксичных форм ртути происходит в природе путем алкилирования ионов ртути микроорганизмами и грибами. Схема процесса переноса метильной группы в присутствии специфического кофермента бактерий метилкобаламина:

CH₃CoB₁₂ Hg² ® CH₃Hg H₂OCoB ₁₂

Соли ртути образуют комплексы с сульфгидрильными группами белков, содержащих цистеин, вызывают изменение их структуры и, как следствие, потерю активности фермента. Кроме того, в основе токсического действия ртути лежит образование связей с гемоглобином, цитохромом Р-450, рецепторами.

Причиной большей токсичности металлорганических соединений, по сравнению с неорганическими солями является наличие липофильных или гидрофобных групп R в молекуле. Это обеспечивает их распространение с током жидкости по всему организму и перенос через клеточные мембраны за счет диффузии, а также способность проходить через кровяной и плацентарный барьеры. Липофильность органических соединений ртути способствует их накоплению (кумуляции) в органах и тканях. Период полувыведения алкилпроизводных в 20-25 раз выше, чем у неорганических солей. Отравление организма человека метилированной ртутью проявляется в основном в нарушениях нервной системы, таких как онемение конечностей, ухудшение слуха, нарушение речи, и функций вестибулярного аппарата (болезнь Миномата).

Металлорганические соединения ртути угнетают костный мозг и иммунную систему и способны нарушать функций ДНК и синтез белка. Отравление парами ртути в средние века получило название «болезнь сумашедшего шляпочника». Сулема HgCI₂ очень ядовита, вызывает изменение размеров, осмотическую хрупкость и снижение деформируемости эритроцитов.

Применение ртутных соединений в качестве лекарственных средств началось в глубокой древности при лечении кожных заболеваний и сифилиса. В современной медицине не используется за исключением применения в термометрах, манометрах, ртутно– кварцевых лампах и других приборах медицинского назначения.

В качестве антидота против ртутного отравления с достаточно хорошими результатами, применяют, так называемый, BAL, представляющий собой 2,3–димеркаптопропанол. Применяют гемодиализ с такими хелатирующими агентами, как цистеин или L-ацетилпеницилламин.

Олово. По содержанию в организме человека (10^-4 %) олово относится к микроэлементам. Установлено, что олово входит в состав ферментов, влияющих на рост. В организм человека олово попадает с консервированными продук­тами, хранящимися в банках, покрытых слоем олова, с упаковочной фольги, с фторсодержащими зубными пастами. За сутки в организм человека поступает до 50 мг олова, в основном с пищей. Концентрируется олово в костной ткани, сердце, почках и тонком кишечнике.
В кислой среде олово растворяется, в форме соли поступает в кровь, проявляя токсическое действие. Органические соединения олова наиболее ядовиты. С избытком олова в организме может быть связано снижение аппетита, металлический привкус во рту, боли в животе, поносы, тошнота, хотя в целом олово не относится к особо токсичным металлам.

В медицинской практике находят применение различные материалы, содержащие олово, в частности пломбировочные. Так, олово входит в состав серебряной амальгамы (28 %) для изготовления пломб.

Ванадий в организм человека поступает с пищей. Ванадий входит в состав мышечной и костной ткани, сердечной мышцы, селезенки, щитовидной железы, легких, почек. Показано, что ванадий участвует в регуляции жирового и углеводного обмена. Ванадий усиливает поглощение кислорода тканями печени, оказывает влияние на уровень сахара в крови. Изучается вопрос о перспективности применения солей ванадия в лечении сахарного диабета, поскольку ванадаты обладают инсулиноподобным эффектом. Установлено, что у молодых людей присутствие ванадия сдерживает образование холестерина и снижает содержание в крови липидов, препятствует развитию патологий сердечно – сосудистой системы. Ванадий принимает участие в метаболизме тканей костей и зубов. Способствуя их минерализации ванадий препятствует развитию кариеса и остеопороза.

Суточная потребность взрослого человека не определена, но установлено, что в среднем в хорошо сбалансированном рационе населения (по данным США) ванадий составляет 20-30 мкг.
Соединения ванадия применяются в медицине в качестве стимулирующих средств при анемии, а также при лечении туберкулеза, сифилиса, ревматизма.

При избыточном поступлении может оказывать токсическое воздействие. При загрязнении окружающей среды ванадием отмечается повышенная частота заболеваний бронхо-легочной системы, верхних дыхательных путей, новообразований. Неблагоприятными экологическими факторами являются выбросы металлургических заводов при выплавке меди, спецсталей, добыча и переработка нефти, выхлопы автомобилей. Некоторые антибиотики также содержат ванадий.

Большинство известных на Земле соединений – это соединения р-элементов, пять из них (C, N, P, O, S) являются органогенными, то есть входят в состав любой клетки. Р-элементы находятся в главных подгруппах с III по VIII группы. Валентные электроны находятся на внешнем р-подуровне, общая электронная формула внешнего уровня отвечает составу ns²np^a, где а = 1 – 6. Р-элементы проявляют положительную степень окисления, равную номеру группы. В характере промежуточных степеней окисления проявляется «правило четности» – элементы нечетных групп проявляют нечетные степени окисления, а элементы четных групп – четные. Отрицательные степени окисления проявляются у элементов, начиная с 4 А подгруппы.

В периодах слева направо атомные радиусы р-элементов уменьшаются, величина энергии ионизации возрастает, что приводит к нарастанию неметаллических и окислительных свойств р-элементов. В подгруппах в направлении сверху вниз возрастают металлические свойства и устойчивость низших степеней окисления.

Селен, фтор, бром и йод являются микроэлементами и находятся в организме в виде ионов со степенью окисления – 2 для селена и -1 для галогенидов. Ион Cl^– является макроэлементом. Р-элементы в низшей положительной степени окисления проявляют токсическое действие, в то время как в высшей являются микроэлементами.

В пособии представлена краткая характеристика биологического действия важнейших Р-элементов.

Азот – основной компонент воздуха: его объемная доля составляет 78,2%. Простейшими соединениями азота являются аммиак и соли аммония, образующиеся в результате катаболизма, а также при разложении растений и животных организмов. Ионы аммония не могут проникать через клеточные мембраны, молекулы же аммиака легко преодолевают мембранные барьеры и быстро воздействуют на головной мозг, что и использовалось ранее в медицинской практике при обмороках. Аммиак – токсичный газ, способный поражать при вдыхании слизистые дыхательных путей, вызывать одышку и воспаление легких.

К кислородсодержащим соединениям азота относят оксид азота (I)N₂O, который используют в медицине для ингаляционного наркоза (в смеси с кислородом). При малых концентрациях N₂O вызывает состояние возбуждения (отсюда название «веселящий газ»), а при больших – общий наркоз. Оксид азота N₂О выделяется бактериями и под действием света окисляется до NO.

Оксид азота (II) NO может образовываться в атмосфере под действием грозовых разрядов по уравнению:

N₂ O₂ ¾® 2NO

В конце 1980-х годов было установлено, что NO синтезируется эндотелиальными клетками с помощью фермента NO-синтазы из аминокислоты аргинина. Время жизни NO не превышает секунды, но нормальное функционирование кровеносных сосудов без его участия невозможно. Это соединение обеспечивает расслабление гладких мышц сосудов, регулирует работу сердца, иммунной системы, участвует в передаче нервных импульсов, сексуальном возбуждении. Предполагают, что NO играет важную роль в обучении и запоминании. В 1988 году за открытие свойств NO была присуждена Нобелевская премия (Фурчготт, Игнарро, Мурад).

Оксид азота (IV) NO₂ – сильный окислитель. Он образуется из оксида азота (ΙΙ) по уравнению 2NO O₂ ¾® 2NO₂.

Оксид азота NO₂, выделяющийся в больших количествах при сгорании топлива на электростанциях, может являться причиной кислотных дождей. Кислотные дожди приводят к уменьшению рН озёр и гибели рыбы, влияют на структуру почв, что является причиной гибели сельскохозяйственных культур и деревьев.

При вдыхании оксидов азота в легких образуется азотная и азотистая кислоты, вызывающие раздражение, изъязвления легких, а при длительном вдыхании – опухоли. Реакции взаимодействия оксидов азота с водой приведены ниже

2NO₂ H₂O → HNO₃ HNO₂

N₂O₃ H₂O → 2HNO₂

N₂O₄ H₂O → HNO₃ HNO₂

N₂O₅ H₂O → 2HNO₃

Нитриты (NO₂^–), использующиеся в качестве консервантов мясопродуктов,образуют азотистую кислоту HO-N=O, котораянитрозирует аминогруппы белков с образованиемнитрозоаминов по реакции:

R₂N-H HO-N=O ® R₂N-N=O H₂O.

Нитрозоамины придают мясным и колбасным изделиям розово-красный цвет. В высоких концентрациях нитрозоамины проявляют токсическое действие, могут стать причиной рака мочевого пузыря. Нитриты могут окислять катион Fe ² (гемоглобин) до катиона Fe ³ (метгемоглобин):

HbFe² NO₂^– ® HbFe ³ NO

В этом – одна из причин токсического действия нитритов.

Нитраты (NO₃^–), присутствующие в продуктах питания, попадая в организм, легко восстанавливаются до токсичных нитритов. Высокое содержание нитратов в воде может приводить к раку желудка (при пониженной кислотности), служить причиной детской смертности.В медицине соединения азота применяют в качестве наркотических (закись азота), мочегонных (хлорид аммония), антиангиальных (нитроглицерин), противоопухолиевых (эмбихин), радиозащитных (меркамин) средств. Метиламин, диметиламин, диэтиламин и др. алифатические амины используются в синтезе лекарственных препаратов..

Фосфор является органогеном, общая массовая доля этого макроэлемента в организме человека составляет 0.95%. Фосфор содержится в костной ткани, почках, мышцах, печени, крови, молоке, волосах, ногтях и зубах. Фосфаты в живых организмах служат структурными компонентами скелета. Остаток фосфорной кислоты входит в структуру фосфолипидов клеточных мембран, нуклеиновых кислот, сложных углеводов. Полифосфаты (три- и дифосфаты) участвуют в аккумуляции энергии в виде макроэргических связей (например, АТФ, креатинфосфат). В организме человека присутствует около 30 г АТФ, Энергия гидролиза АТФ является главной энергетической валютой, обеспечивающей круговорот энергии в клетке.

Фосфолипиды, формируют бислойную структуру биологических мембран. Фосфор в виде фосфолипидов преимущественно концентрируется в головном мозге (12%), в печени (5%), молоке (2-3%) и сыворотке крови (0.6%). Однако, основное количество фосфора – 600 г – содержится в косной ткани, что составляет 85% от массы всего фосфора, находящегося в организме человека. В твердых тканях зубов, фосфор находится в виде гидроксил-, хлор-, фторапатитов общей формулы Ca₅(PO₄)₃X, где Х = ОН, Cl, F соответственно. Основным минеральным компонентом костной ткани является гидроксифосфат кальция Ca₅(PO₄)₃OH, называемый гидроксиапатитом. Обмен фосфора в организме тесно связан с обменом кальция, но эта связь антагонична. При увеличении содержания кальция в крови наблюдается уменьшение содержания фосфатов, прежде всего неорганических.

Фосфор поступает в организм с пищевыми продуктами – молоком, мясом, рыбой, хлебом, овощами, яйцами и др. Суточная потребность в фосфоре 0,8-1,2 г, избыток фосфатов способствует потерям марганца и кальция, что приводит к остеопорозу.

В медицине множество соединений фосфора используется в виде лекарственных препаратов для лечения заболеваний сердца, печени, желудка. Фосфаты цинка используются в качестве пломбировочных материалов в стоматологии.

Кислород относится к органогенам. В организме взрослого человека массой 70 кг содержится примерно 43 кг кислорода. Вместе с водородом кислород образует молекулу воды, содержание которой в организме взрослого человека в среднем составляет около 55 – 65 %.

Кислород входит в состав белков, нуклеиновых кислот и других жизненно необходимых компонентов организма. Кислород необходим для дыхания. Экзотермическая реакция окисления биомолекул (жиров, белков, углеводов, аминокислот) служит источником энергии для организма. С участием кислорода (О₂) осуществляются фагоцитарные (защитные) функции организма, а также процессы дыхания. Основное количество кислорода поступает в организм через легкие, проникает в кровь и при участии гемоглобина доставляется во все органы и ткани. Кислород поступает в организм через легкие, проникает в кровь, связывается с гемоглобином и образует легко диссоциирующее соединение – оксигемоглобин, а затем из крови поступает во все органы и ткани. Практически весь кислород метаболизируется до углекислого газа и воды и выводится из организма через легкие и почки.

Молекулярный кислород (О₂) обычно не вступает в прямые неферментативные химические реакции с органическими соединениями. Реакция с участием О₂ в живой клетке чаще всего происходит в активном центре ферментов оксидаз или оксигеназ. В ходе этих реакций образуются промежуточные продукты восстановления О₂, которые в реакционном центре ферментов подвергаются превращениям до углекислого газа и воды. С участием ряда ферментов (ксантиноксидазы), гемоглобина в организме генерируются промежуточные продукты восстановления кислорода, так называемые активные формы кислорода (АФК), обладающие высокой реакционной способностью.

К ним относят супероксидные анион-радикалы (О^•₂), пероксид водорода (Н₂О₂), гидроксильные радикалы (ОН^•), а также молекулы кислорода в синглентном состоянии (О₂^*). (Основное состояние молекул кислорода – триплетное, для которого характерно нахождение двух неспаренных электронов с одинаковым спином на различных π^* орбиталях). Образование АФК протекает по схеме:

1. одноэлектронное восстановление О₂, приводит к образованию супероксидного анион-радикала (О₂^•), который является родоначальником других АФК:

О₂ е → О₂ ^•

Указанная реакция протекает, в частности, при окислении гемоглобина, при этом к кислороду переносится электрон, освободившийся в реакции

Fe² – e → Fe³

2. супероксид анион-радикал, вступает в реакцию дисмутации, регулируемую ферментом супероксиддисмутазой (СОД), в результате образуется пероксид водорода (Н₂О₂ ):

О₂ ^• О₂ ^• 2 Н → Н₂О₂ О₂

3. Образование гидроксильного радикала (ОН^•) происходит при взаимодействии пероксида водорода с супероксидным анион-радикалом или ионами металлов переменной валентности :

Н₂О₂ О₂^• → НО^• ОН^─ О₂

Н₂О₂ Fe ² → НО^• ОН^─ Fe ³ (реакция Фентона)

Реакция Фентона отражает токсическое действие пероксида водорода на гемоглобин, поскольку происходит окисление катиона Fe ² до катиона Fe ³, усугубляемое образованием гидроксильного радикала;

4. Синглентный кислород (О₂^*) образуется при возбуждении молекулы кислорода в триплетном состоянии под действием кванта света (hυ). В результате происходит электронная перестройка молекулы, при которой электроны с противоположно направленными спинами располагаются на одной или на разных π^* орбиталях:

hυ

О₂ → О₂ ^*

Также возможно образование О₂^* по реакции между суперокид-анион радикалом и гидроксильным радикалом:

О₂ ^• НО^• → О₂^* ОН^─

АФК играют важную роль в жизнедеятельности организма. Например, супероксид аниона-радикал участвует в активации фагоцитирующих клеток (нейтрофилов, макрофагов, моноцитов, эозинофилов), необходимых для уничтожения инородных микроорганизмов, опухолевых клеток. АФК участвуют в процессах апоптоза (самопроизвольной гибели клеток, органов или организма в целом).

Процессы образования АФК в норме протекают в организме и регулируются ферментами антиоксидантной защиты (супероксиддисмутазой, каталазой, глутатионпероксидазой, глутатионтрансферазой).

_{каталаза}

2 H₂O₂ Н₂О О₂

_{супероксиддисмутаза}

О₂·^_ О₂·^_ 2Н H₂O₂ О₂

_{глутатионпеоксидаза}

R-SH H₂O₂ 2 Н₂О R-S-S-R

R-S-S-R 2Н 2е 2 R-SH

Избыточное количество АФК ведет к развитию ряда патологических состояний, в основе которых лежат окислительные превращения липидов биологических мембран, повреждения структуры нуклеиновых кислот, белков и их надмолекулярных комплексов. Эти превращения, условно в общем виде представляются схемой:

RH OH^∙ → R^∙ H₂O

R^∙ O₂ → RO₂^∙

RH RO₂^∙ → ROOH R^∙

Усиление свободнорадикальных процессов окисления приводит к нарушению целостности биологических мембран и гибели клеток, вызывает изменения в структуре белков, снижение активности ферментов, является причиной мутаций.

В медицине для лечения гипоксических состояний, сердечно-сосудистых заболеваний, отравлений цианидами и угарным газом применяют молекулярный кислород. Дозированное воздействие кислорода осуществляют при повышенном давлении (гипербарическая оксигенация), в результате чего улучшается гемодинамика и кислородное обеспечение тканей. При сердечно-сосудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов используют кислородную пену (кислородный коктейль). Подкожное введение кислорода (озона) показано при трофических язвах, гангрене. Озонирование питьевой воды используется для ее очистки и обеззараживания.

Углерод – важнейший органоген. Общее содержание углерода около 21 % (15 кг на 70 кг общей массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Физиологическая роль углерода определяется тем, что этот элемент входит в состав всех органических соединений и принимает участие во всех биохимических процессах в организме. Окисление биомолекул под действием кислорода приводит к образованию воды и углекислого газа (СО₂), который является стимулятором дыхательного центра, играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения.

В свободном виде углерод не токсичен, но многие его соединения обладают значительной токсичностью: СО (угарный газ), четыреххлористый углерод ССI₄, сероуглерод CS₂ , соли цианистой кислоты HCN, бензол С₆Н_6, фосген СОСI₂, и ряд других. Углекислый газ в концентрации свыше 10% вызывает ацидоз (снижение рН крови), одышку и паралич дыхательного центра. В фармации и медицине широко используются различные соединения углерода – производные угольной кислоты и карбоновых кислот, полимеры и др. Карболен (активированный уголь) применяется для адсорбции газов и выведения из организма различных токсинов, графит в виде мазей используется для лечения кожных заболеваний. В медико – биологических исследованиях используются продукты, меченные ¹⁴С.

Сера относится к макроэлементам, органогенам. Сера участвует в образовании соединений в степени окисления –2. В виде сульгидрильных — SH – групп или дисульфидных связей — S — S— сера входит в состав белков, аминокислот (цистеин, цистин, метионин), гормонов (инсулин), ферментов (кофермент А), витаминов (В₁), керотина (волосы, кости, нервная ткань). Третичная структура белка содержит дисульфидные мостики между цистииновыми остатками аминокислот. Обратимый переход тиоловых групп в дисульфидные связи защищает организм от радиационных поражений и действия сильных окислителей:

[H]

R₁— S— S—R₂ R₁— SH R₂— SH

[O]

Cерусодержащие ферменты Е—SH необратимо отравляются ионами тяжелых металлов (ртуть, свинец, кадмий), при этом образуются прочные хелатные соединения металлов и блокируются сульфгидрильные группы.

R-S – H R-S – H S-R₁

Pb² → Pb²

R₁-S – H R₁-S H- S-R

В результате фермент теряет активность и нарушается протекание биохимических реакций. В процессе метаболизма соединений серы образуется эндогенная серная кислота, которая участвует в обезвреживании ядовитых соединений (фенола, индола), вырабатываемых в кишечнике микроорганизмами. Серная кислота связывает многие ксенобиотики в относительно безвредные вещества (коньюгаты), выводимые с мочой.

Токсичными соединениями серы являются H₂S сероводород, SО₂ сернистый газ. H₂S сероводород содержится в сернистых минеральных водах, которые в виде ванн используются для лечения ряда заболеваний. Это бесцветный газ с неприятным запахом. Образуется при гниении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов.

SО₂ – сернистый газ, имеет удушливый запах. Ядовит. Действует как раздражитель слизистой оболочки дыхательных путей. Примерно одна треть оксида серы (IV) поступает в атмосферу за счёт микробиологического окисления органических веществ, его источником являются действующие вулканы. Около 70% SO₂ образуется в результате сжигания нефтепродуктов и сернистых руд. Под действием солнечного света и катализаторов (V₂O₅) оксид серы SО₂ превращается в SO₃:

2SO₂ O₂ → 2SO₃

Hастворяясь в атмосферной влаге SO₃ образует серную кислоту, которая образует кислотные дожди, приводящие к гибели лесов, закислению почвы.

SO_{3 (г)} Н₂О _(ж) → Н₂SO_{4 (водн)}

Тиосульфат натрия Na₂S₂O₃ применяют в медицинской практике как противотоксическое, противовоспалительное средство при отравлениях соединениями ртути, свинца, солями синильной кислоты. Тиосульфат натрия и осажденная сера применяются при лечении чесотки.

Сульфаты многих металлов применяют в качестве лекарственных средств: Na₂SO₄´10H₂O – как слабительноe, MgSO₄´7H₂O – как слабительное и желчегонное средство, CuSO₄´5H₂O и ZnSO₄´7H₂O как антисептические, вяжущие, рвотные средства. ВаSO₄ используют в качестве контрастного вещества при рентгенологическом исследовании пищевода и желудка. Сера осажденная используется при лечении чесотки.

В организм сера поступает с пищей. Наиболее богаты соединениями серы яйца, мясо, творог, гречневая крупа, отруби, хлеб грубого помола.

Хлор в организме человека содержится в количестве 100 г (0,15%) преимущественно в виде хлорид-иона. Хлорид-ион имеет оптимальный радиус для проникновения через мембрану клеток. Именно этим объясняется его совместное участие с ионами натрия и калия в создании определенного осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Суточная потребность в хлориде натрия составляет 1 г NaCl необходим для выработки хлороводородной (соляной кисло­ты) в желудке, играющей важную роль в процессе пищеварения, уничтожающей различные болезнетворные бактерии (холеры, тифа).

Жизненно необходимые хлорид – ионы не обладают токсическим действием, в то время как элементный хлор — высокотоксичный газ.

В последние годы установлено образование в организме ряда активных форм галогенов (АФГ) – галоген-содержащих соединений, обладающих повышенной реакционной способностью и образующихся в живом организме или поступающих в него в результате контакта человека с окружающей средой.

Активные формы галогенов (АФГ) – это галоген-содержащие соединения, обладающие повышенной реакционной способностью и образующиеся в живом организме или поступающие в него в результате контакта человека с окружающей средой. Различают экзогенные (привнесенные) и эндогенные (образующиеся в организме) АФГ. К экзогенным источникам активных форм галогенов относят пестициды, фармпрепараты, анестетики, сточные воды, выхлопные газы автомобилей и самолетов, промышленные яды. Активные формы галогенов образуются в организме с участием ферментов пероксидаз, в частности миелопероксидазы, а также Н₂О₂-редуктазы преимущественно в нейтрофилах. Из хлорид и бромид-ионов образуются хлорноватистая НОCl и бромноватистая НОВr кислоты (первичные АФГ), которые могут стать источниками образования активного хлора и брома, а также продуктов галогенирования важнейших биомолекул: аминокислот, липидов, нуклеиновых кислот, холестерина (вторичные АФГ) (см. схему).

Cl₂ H₂O → H Сlˉ HOCl

Активные формы галогенов в небольших количествах необходимы для уничтожения и обезвреживании микроорганизмов, при их избыточном уровне они могут служить источниками активных свободных радикалов, оказывающих повреждающее действие на структуры организма.

В случаях, когда появление или образование АФГ превосходит способность организма удалять или нейтрализовывать эти соединения могут развиваться многочисленные патологии, включая атеросклероз, инфаркты, инсульты, васкулиты, болезнь Альцгеймера, респираторная, почечная дисфункция, ревматоидный артрит, сепсис и др.

Селен является микроэлементом, в основном концентрируется в печени и почках. Концентрация селена в крови составляет 0,001 — 0,004 ммоль/л.

В живых организмах несомненна связь селена с серой. При больших дозах селен в первую очередь накапливается в ногтях и волосах, основу которых составляют серосодержащие аминокислоты. Очевидно, селен как аналог серы замещает ее в различных соединениях:

R— S— S— R ¾® R— Se—Se— R

Установлено, что недостаток селена ведет к уменьшению концентрации фермента глутатионпероксидазы, что, в свою очередь, приводит к окислению липидов и серосодержащих аминокислот.

Проведенные в последние годы исследования показали, что селен в комплексе с какой-либо кислотой входит в состав активных центров нескольких ферментов: формиатдегидрогеназы, глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы, глутатионтрансферазы. В частности, в активном центре глутатионпероксидазы содержится остаток необычной аминокислоты селеноцистеина: НOОC-CH(NH₂)-CH₂-Se-H. Этот фермент вместе с белком глутатионом защищает клетки от разрушающего действия органических пероксидов ROOH и водородпероксида H₂O₂. Возможно, что водородселенидная группа — SeH селеноцистеина обладает какими-то преимуществами по сравнению с водородсульфидной группой -SH в механизме действия этого и других селенсодержащих ферментов.

Хорошо известна способность селена предохранять организм от отравления солями ртути Hg и кадмия Cd. Оказалось, что селен способствует связыванию солей этих токсичных металлов с активными центрами других ферментов, на которые их токсическое действие не влияет.

Показано, что селен стимулирует образование антитьел и тем самым повышает защиту организма к инфекционным и простудным заболеваниям. Участвует в выработке эритроцитов, способствует поддержанию сексуальной активности. В мужском организме практически 50% селена сосредоточено в семенных канальцах яичек, селен теряется с эякулятом. Поэтому потребность мужчин в селене выше, чем для женщин. Активность селена повышается в присутствии витамина Е. Установлен факт взаимосвязи между высоким содержанием селена в рационе и низкой смертностью от рака.

В больших дозах селен токсичен. Распад соединений селена в организме животных приводит к выделению высокотоксичного диметилселена CH₃—Se—CH₃, имеющего чесночный запах. Установлен механизм этой реакции. При взаимодействии селенистой кислоты H₂SeO₃ с глутатионом образуются соединения, содержащие группу —S—Se—S—

H₂SeO₃ 4GSH ¾® GSSeSG GSSG 3H₂O

восстановленный окисленный

глутатион глутатион

Под действием ферментов соединения, содержащие группу

—S—Se—S—, восстанавливаются до диводородселенида H₂Se, который метилируется с образованием токсичного диметилселена.

В рационе питания большинства индустриально развитых стран отмечается дефицит микроэлемента. Потребность взрослого человека составляет 150-200 мкг/сутки. Содержится в мясе, печени, почках, морских рыбах, дрожжах, хлебе, топинамбуре. Однако зачастую требуются дополнительные источники селена, которыми являются витаминно-минеральные комплекы и другие биологически активные добавки к пище.

В медицине широко применяются соединения селена (селенит натрия, селен-метионин, селен-цистеин и др.) для лечения и профилактики многих заболеваний, поскольку селен является природным антиоксидантом. В дерматологии и косметологии используют селеносодержащие шампуни, крема, мыла и гели. Изотоп ¹⁵Se в составе селената и селенита натрия используется в медицинских исследованиях.

Йод относится к числу незаменимых биогенных микроэлементов. В организме человека содержится около 25 мг (4·10^-5%) йода, большая его половина находится в щитовидной железе в структуре гормонов (трийодтиронина, тироксина). В виде иодид-иона I^– находится около 1 % присутствующего в организме йода.

Основным источником йода для организма человека являются морепродукты, а также применяемые в пищевой промышленности йодофоры и йодированная соль. Количество йода во фруктах и овощах зависит от состава почвы, а также от вида обработки продуктов. Щитовидная железа способна концентри­ровать йод, содержание в ней элемента в 25 выше, чем в плазме крови. Щитовидная железа секретирует гормоны тироксин и трийодтиронин. Имеются данные, что йод влияет на синтез некоторых белков жиров, гормонов.

Пониженная активность щитовидной железы (гипотиреоз) может быть связана с уменьшением ее способности накапливать иодид-ионы, а также с недостатком в пище иода (эндемический зоб). При эндемическом зобе назначают препараты иода: калий иодид KI или натрий иодид NaI в дозах, соответствующих суточной потребности человека в иоде (0,00l г калия иодида). В районах, где отмечается дефицит иода, для профилактики эндемического зоба к поваренной соли добавляют NaI или KI (I,0 — 2,5) г/ кг соли).

При повышенной активности щитовидной железы (гипертиреоз) вследствие избыточного синтеза тиреоидных гормонов наблюдается увеличение скорости метаболических процессов.

NaI и KI используют при воспалительных заболеваниях дыхательных путей. Препараты йода применяют наружно как антисептики (например, йодоформ), в качестве раздражающих и отвлекающих средства при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек. К препаратам, содержащим йод относят: 5% спиртовый раствор йода, микстура противоастматическая, йодиды калия и натрия, кальцийодин, таблетки антиструмина и йодактива.

Фтор является микроэлементом. Соединения фтора концентрируются в костной ткани, ногтях, зубах. В состав зубов входит около 0,01 % фтора, причем большая часть приходится на эмаль, что связано с при­сутствием в ней труднорастворимого фторапатита Са₃(PO₄) ₃F. Недостаток фтора в организме приводит к криесу зубов. Минеральную основу зубных тканей – дентина составляют гидроксилапатит Ca₅(PO₄)з(ОН), хлорапатит Ca₅ (PO₄)зС1 и фторапатит Ca₅ (PO₄)₃F. Фторид-ион легко замещает гидроксид-ион в гидроксилапатите, образуя защитный эмалевый слой более твердого фторапатита:

Ca₁₀(PO₄)₆ (ОН)₂ F ^‾¾® Ca₁₀(P0₄)F₂ 2 OH‾

Кроме того, фторид-ионы способствуют осаждению кальция фосфата, ускоряя процесс реминерализации (обра­зования кристаллов):

1O Ca² 6PO₄^‾3 2F^‾ ¾® 3Ca₃ (PO₄) ₂ CaF₂

Кариес зубов представляет собой процесс растворения гидроксилапатитной компоненты эмали под действием кис­лот, вырабатываемых бактериями:

Ca₅ (PO₄) ₃ОН 7H ¾® 5Ca² 3H₂PO₄ ^– H₂O

Имеются предположения, что при незначительном повреждении эмали введение натрия фторида способствует образованию фторапатита, облегчающего реминерализацию начавшегося повреждения. Фторирование воды натрия фторидом (до содержания фторид ионов 1 мг/л) приводит к значительному снижению заболеваемости населения кариесом зубов.

Фторид натрия употребляют в медицинской практике в качестве местно действующего наружного средства. Применение NaF основано на образовании фторапатита:

NaF Сa₁₀(PO₄)₆ (OH)₂ ¾® NaOH Ca₁₀(PO₄)₆F₂

паста зубная ткань

При этом одновременно происходит подщелачивание среды ротовой полости и нейтрализации кислот, вырабатываемых бактериями.

Соединения фтора поступают в организм с пищей и водой. Много фтора в рисе, говядине, яйцах, молоке, луке, шпинате, яблоках.

Вреден не только недостаток, но и избыток фтора. При содержании фтора в питьевой воде выше предельно допустимой нормы (1,2 мг/л) зубная эмаль становится хрупкой, легко разрушается и появляются другие симптомы хронического отравления фтором — повышение хрупкости костей, костные деформации и общее истощение организма. Возникающее в этом случае забо­левание называется флуорозом (фторозом).

Бром – микроэлемент. Масса брома в организме человека составляет около 7 мг (~10^-5 %). Биологическая роль соединений брома недостаточно выяснена. Он локализуется в железах внутренней секреции, в первую очередь в гипофизе, почках, щитовидной железе, межклеточной жидкости. Повышенное содержание бромид анионов способствует выведению почками хлорид анионов. Имеются данные, что соединения брома угнетают функцию щитовидной железы и усиливают активность коры надпочечников. Наиболее чувствительной к введению в организм бромид-ионов является ЦНС. Бромиды накапливаются в различных отделах мозга, усиливая тормозные процессы в нейронах коры, поэтому препараты брома (бромиды калия, натрия, бромкамфора) применяются как успокаивающие средства при повышенной возбудимости, способствуют восстановлению нарушенного равновесия между процессами возбуждения и торможения

По ионному радиусу, электроотрицательности и другим физико-химическим характеристикам бром занимает промежуточное положение между хлором и иодом. Поэтому бромид ионы могут замещать ионы С1^– и I^– в организме. Примером такого взаимозамещения является замещение иода бромом при избытке брома в организме в гормонах щитовидной железы, что приводит к гипертиреоидизму.

В связи с различной индивидуальной чувствительностью дозировка препаратов брома меняется в пределах от 0,05 до 2,0 г. В организм бром поступает с зерновыми, орехами и рыбой.

Бор. Давно известно, что микроэлемент бор необходим высшим растениям, однако данные о его биологической роли появились относительно недавно – с 1985 г. Установлено, что бор участвует в углеродно-фосфатном обмене, взаимодействует с рядом биологически активных соединений (углеводами, ферментами, витаминами, гормонами). Установлено, что бор – партнер кремния, кальция, марганца, магния, участвующих в процессах кальцификации, формирования костной ткани и предотвращения остеопороза. В механизме его влияния на кальциевый обмен у женщин в постменопаузе важную роль играет повышение уровня активных эстрогенов. Бор участвует в активации и эстрогенов и витамина D. Под влиянием бора уменьшается выделение кальция с мочой и повышение уровня 17-β-эстрадиола. Препараты бора предотвращают потерю кальция с мочой, что немаловажно при остеопорозе и переломах. Бор вместе с цинком участвует в мобилизации жирных кислот из жировых клеток. Препараты бора ослабляют боль в суставах и улучшают самочувствие. Наиболее эффективны и безопасны органические производные микроэлемента, например, глицеринат бора. Неорганические производные – борная кислота и бура могут оказывать токсическое действие. Буру — кристаллогидрат натрия тетрабората Na₂B₄O₇·10Н₂О широко применяют как антисептик. Фармакологическое действие препарата обусловлено гидролизом соли с выделением борной кислоты:

Na₂B₄O₇ 7Н₂О ¾® 4Н₃ВО₃ 2NaOH

Образующиеся щелочь и кислота вызывают свертывание (денатурацию) белков микробных клеток.

В зубопротезировании борную кислоту Н₃ВО₃ используют в качестве наполнителя формы при отливке зубных протезов. В состав стоматологических паст, применяемых как клей-прослойка для зубных протезов, входит натрий метаборат NaB0₂ в смеси с алюминием гидроксидом А1(ОН)₃.

Суточная потребность в боре ориентировочно составляет 2-7 мг. Источниками бора являются фрукты, овощи, орехи, вина.

Употребление пищевых продуктов с большим содержанием бора нарушает в организме обмен углеводов и белков, что приводит к возникновению эндемических кишечных заболеваний — энтеритов.

Алюминий является иммунототоксичным микроэлементом. В организм человека содержится 10^-5% алюминия и ежесуточно поступает от 5 до 50 мг. Источником поступления алюминия является пища и питьевая вода. С возрастом содержание этого элемента в легких и головном мозге увеличивается. Алюминий участвует в образовании фосфатных и белковых комплексов, процессах регенерации костной, соединительной и эпителиальной ткани, оказывает тормозящее или активирующее действие (в зависимости от концентрации) на пищеварительные ферменты, влияет на функцию околощитовидных желез.

В медицине используются адсорбирующие, обволакивающие, антацидные, защитные и обезболивающие свойства препаратов, содержащих алюминий. Силикат алюминия (белая глина, каолин) и жженые квасцы KAI(SO₄)₃·7H₂O применяют наружно в виде присыпок, мазей и паст при лечении кожных заболеваний. AI(OH)₃ используют как антацидное средство при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, гастритах и отравлениях. AI(OH)₃ вместе с MgO входит в состав препарата «Альмагель»применяемого в качестве обволакивающего и антацидного средства при заболеваниях желудка. Фосфат алюминия обладает противоязвенным, адсорбирующим действием, снижает кислотность желудочного сока.

Мышьяк – иммунотоксичный микроэлемент, содержится в организме человека в количестве (10^-6 %) . Мышьяк накапливается в костях и волосах и в течение нескольких лет не выводится из них полностью. Эта особенность используется в судебной экспертизе для выяснения вопроса, имело ли место отравление соединениями мышьяка.

В организм человека соединения мышьяка поступают с питьевой и минеральной водой, виноградными винами и соками, морепродуктами, медицинскими препаратами, пестицидами и гербицидами. Мышьяк может поступать в организм в повышенных количествах с атмосферным воздухом, т.к. концентрация его в воздухе повышается при сжигании угля в котельных и ТЭЦ, около медеплавильных комбинатов. В питьевой воде в некоторых регионах мира (Индия, Бангладеш, Тайвань, Мексика), содержание мышьяка повышено (1мг/л), что является причиной массовых хронических отравлений мышьяком и вызывает так называемую болезнь «черной стопы». Соединения мышьяка (V) и в особенности мышьяка (III) очень токсичны. Механизм токсического действия объясняется способностью мышьяка блокировать сульфгидрильные SH – группы ферментов, белков, аминокислот (цистеин, глутатион, липоевая кислота).

Кроме того, мышьяк может замещать йод, селен и фосфор, нарушая биохимические процессы метаболизма в организме, As является антиметаболитом этих элементов. Смертельная доза для человека составляет приблизительно 0,1—0,3 г мышьяка.