Химия элементов-органогенов

После изучения этой главы вы должны:

- усвоить понятия: макроэлемент, микроэлемент, органоген, металлы жизни, биогенные элементы;

- знать: элементы, являющиеся органогенами, металлами жиз­ни, токсикантами; закономерности распределения биогенных эле­ментов по S-, р-, d-блокам; строение атомов каждого органогена, его основные валентные состояния и характерные особенности образуемых им химических связей; кислотно-основные, окислительно-восстановительные и комплексообразующие свойства органогенов и их соединений;

- иметь представление о специфичности роли каждого органо­гена и его соединений в живых системах.

12.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Химический состав живых организмов, как было показано в трудах академика В. И. Вернадского, находится в тесной взаимосвязи с химическим составом земной коры и океанов (см. рис. 12.1). Академик А. П. Виноградов установил, что ко­личественное содержание химических элементов в организме об­ратно пропорционально их порядковым номерам, поскольку ос­нову организма составляют элементы первых трех периодов периодической системы Д. И. Менделеева.

Решающее значение в использовании живыми организмами тех или иных химических элементов принадлежит соотноше­нию различных их свойств, их доступности для организмов в окружающей среде, а также способности организмов избира­тельно поглощать и концентрировать их. С точки зрения химии естественный отбор элементов сводился к отбору таких элемен­тов, которые способны к образованию, с одной стороны, доста­точно прочных, а с другой - лабильных химических связей.

Благодаря естественному отбору основу живых систем состав­ляют только шесть элементов: углерод (С), водород (Н), кислород (О), азот (N), фосфор (Р) и сера (S), - получивших название ор­ганогены. Общая массовая доля этих элементов в организме человека составляет 97,3 %. Из них: С - 21,0, Н - 9,7, О - 62,4, N - 3,1, Р - 0,95 и S - 0,16 %. Для органогенов характерно прежде всего исключительное разнообразие образуемых ими свя­зей, что определяет многообразие биомолекул в живых организ­мах. Органогены образуют в основном водорастворимые соедине­ния, что способствует их концентрированию в живых организ­мах, содержащих более 60 % воды.

Наряду с органогенами непосредственное и активное уча­стие в самом ходе жизненных процессов, т. е. в обмене веществ, принимают следующие 10 элементов: К, Na, Са, Mg, Mn, Fe, Со, Си, Zn, Mo - так называемые металлы жизни; на их долю в организме приходится 2,4%. Содержание этих элементов в теле человека массой 70 кг составляет (в г): кальция - 1700, калия - 250, натрия - 70, магния - 42, железа - 5, цинка - 3, меди - 0,2, марганца, кобальта и молибдена, вместе взятых, -менее 0,1. Все металлы жизни в организме или находятся в ви­де свободных катионов, или являются ионами-комплексообразователями, связанными с биолигандами. В виде свободных ка­тионов находятся только натрий и калий, катионы кальция и магния встречаются как в свободном, так и в связанном состоя­нии (в виде комплексов или водонерастворимых соединений). Катионы остальных металлов жизни в основном входят в состав биокомплексов организма, устойчивость которых варьирует в широких пределах.

Все элементы-органогены и металлы жизни содержатся не только в организме человека, но также имеют широкую распро­страненность в земной коре и водах океана, что наглядно иллю­стрирует рис. 12.1. Согласно приведенным данным, строго в со­ответствии с предположением В. И. Вернадского, между элемент­ным составом человеческого организма, океана и земной коры прослеживаются определенные взаимосвязи, указывающие на единство живой и неживой природы и подтверждающие основ­ные законы диалектики: перехода количества в качество, един­ства и борьбы противоположностей, отрицания отрицания.

Все элементы, приведенные на рисунке, являются биоген­ными элементами.

Рис. 12.1. Содержание (% мас.) элементов-органогенов и металлов жизни в земной коре, морской воде и организме человека

Биогенными элементами называют элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток организмов.

Перечислить все биогенные элементы в настоящее время невозможно из-за трудности определения очень низких концен­траций элементов и установления их биологических функций. Однако биогенность следующих неметаллов: F, CI, Br, I, Si, Se, As и металлов: Li, Ва, Sr, Sn, Ti, V, Cr практически не вызыва­ет сомнений. Суммарное содержание всех этих элементов в ор­ганизме составляет меньше 0,3 %, из них 0,08 % приходится на хлор. Содержание остальных биогенных элементов находит­ся в пределах 10^-6-10^-4 %.

Элементы, содержание которых в организме больше 10^-3 %, называют макроэлементами. Главная функция их состоит в по­строении тканей и поддержании осмотического, водно-электро­литного, кислотно-основного, окислительно-восстановительного и металло-лигандного гомеостаза.

Элементы, содержание которых в организме находится в пре­делах 10^-6—10^-3 %, называют микроэлементами. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других биологически активных соединений, в основном в качестве комплексообразователей или активаторов обмена веществ. Микроэлементы не­равномерно распределяются между тканями и органами. Боль­шинство микроэлементов в максимальных концентрациях со­держатся в ткани печени, поэтому печень рассматривается как депо для микроэлементов. Отдельные микроэлементы проявля­ют особое сродство к определенным тканям. Например, повы­шенное содержание иода наблюдается в щитовидной железе, фтора - в эмали зубов, цинка - в поджелудочной железе, молиб­дена - в почках, бария - в сетчатке глаза, стронция - в костях, а марганца, брома, хрома - в гипофизе.

Количественное содержание микроэлементов в организме че­ловека подвержено значительным колебаниям и зависит от ря­да условий: возраста, пола, времени года и суток, условий труда, вида трудовой деятельности, а также различных физиологиче­ских (беременность, лактация) и патологических состояний. Из­менения в распределении микроэлементов между тканями орга­низма могут служить диагностическим тестом и прогнозом того или иного заболевания, а также использоваться в судебно-меди­цинской экспертизе.

Для нормального протекания физиологических процессов в организме должен поддерживаться определенный уровень на­сыщения тканей микроэлементами, т. е. микроэлементный гомеостаз. В поддержании оптимального уровня микроэлементов в организме участвуют гормоны. Содержание микроэлементов ниже или выше этого уровня приводит к серьезным последст­виям для здоровья человека.

Дефицит, жизненная необходимость и токсичность элемента представляются в виде зависимости "количество элемента в пи­ще (доза) - реакция организма" (рис. 12.2). Горизонтальный участок кривой (плато) описывает область доз, соответствующих оптимальному росту, здоровью, размножению. Большая про­тяженность плато указывает на малую токсичность элемента и на способность организма адаптироваться к значительным из­менениям содержания этого элемента. Узкое плато свидетельст­вует о резком переходе от необходимых организму количеств к опасным для жизни, т. е. о токсичности элемента. В этом слу­чае незначительное увеличение дозы микроэлемента может привести к летальному исходу. Именно поэтому микроэлемен­ты: Be, Ва, As, Pb, Cd, Hg, Tl - называются элементами-токсикантами.

Рис. 12.2. Кривая зависимости реакции организма от содержания элемента в пище