1 Химия биогенных элементов s - блока
2 Общая характеристика s -элементов Элементы I А и II А групп имеют на внешнем энергетическом уровне 1-2 электрона Легко отдают валентные электроны – сильные восстановители Имеют малые значения энергии ионизации при относительно больших радиусах атомов и ионов Большинство природных соединений Na, K, Mg, Ca, Sr растворимы в воде и слабых кислотах
3 Водород Специфические свойства как s- элемента Сходство с элементами IА-группы – щелочными металлами: образование иона Н + восстановительная способность взаимодействие с металлами Сходство с галогенами: газообразное состояние при обычных условиях двухатомная молекула Н 2 неполярная связь в молекуле полярная связь в соединении с неметаллами образование гидрид-иона Н - в соединении с металлами NaH, C аН 2
4 Содержание водорода Содержание водорода в литосфере и гидросфере составляет по массе 1% Входит в состав нефти, природных газов, глины, торфа, соединений, слагающих угли Содержание водорода в организме составляет около 10% Входит в состав важнейших биологически активных химических соединений: белков, жиров, углеводов и воды
5 Изотопы водорода Протий 1 Н стабильные Дейтерий 2 Н (или D) Тритий 3 Н (или Т) радиоактивен D широко используется в качестве метки, вводимой в различные лекарственные препараты для исследования их фармакокинетики
6 Химические формы водорода в организме Протон никогда не существует в свободном виде, он соединяется с другими атомами и молекулами с водой H + образует ион оксония H 3 O + с другими веществами: +H + + H 2 NCHCOO - H 3 NCHCOO - | | R R в организме человека в соединениях с С, N, S водород ковалентно связан
7 Биороль гидроксоний-иона Все процессы в организме совершаются при строго определенной, постоянной концентрации ионов водорода Перенос водорода по биохимической цепочке организма – один из фундаментальных процессов живой природы Содержащиеся в желудочном соке H 3 O + проявляют противомикробное действие – убивают многие микроорганизмы, занесенные в желудок с пищей каталитическое действие – при их участии гидролизуются белки, полисахариды и др. биоорганические соединения
8 Пероксид водорода Наружное бактерицидное средство: окислительная способность H 2 O 2 и безвредност m продукта его восстановления – воды При обработке ран, выделяющийся кислород: Оказывает противомикробное, дезодоририрующее и депингментирующее действие, убивая микробные тела Образует пену, способствуя переходу частиц тканевого распада во взвешенное состояние и очищению ран В качестве фармакопейного препарата используется 3%-ный водный раствор H 2 O 2, 6%-ный раствор H 2 O 2 применяют для обесцвечивания волос В виде 30%-ного раствора H 2 O 2 – при лечении бородавчатой формы красного плоского лишая и для удаления юношеских бородавок
9 Вода Ее содержание в организме и распределение В организме взрослого человека в среднем содержится 65-67% (42 л), у эмбрионов (4-месячных) – 94%, у новорожденных – 74% В различных органах и тканях : от 20% в костях, до 85% в тканях головного мозга В биологических жидкостях : в желудочном соке – 99,5%, в плазме крови – 92%, в лимфе – 90% Основная масса (70%) находится внутри клеток в составе клеточной протоплазмы. Остальное количество – это внеклеточная вода
10 Суточная потребность в воде Суточная потребность взрослых в воде составляет в среднем 2,5 литра: 1,2 литра - питьевая вода 1 л – вода, поступившая с пищей 0,3 л – вода, которая образуется в самом организме У детей потребность в воде значительно выше (у взрослого человека она равна 40 г на 1 кг, а у ребенка – 150-160 г). При недостаточном поступлении воды в организм, часть отработанных продуктов жизнедеятельности остается в организме, что может вызвать его отравление. Потеря 10-20% общего количества содержащийся в организме воды может закончится смертью
11 Поступление воды в организм ЖКТ – один из путей поступления и выведения воды из организма У человека 1 л воды всасывается в течение 22-25 мин В кишечнике человека в среднем за день всасывается 8-10 л воды, из которых более 2 л имеют «внешнее происхождение»
12 Пути выведения воды Главный путь выведения – почки, через них в сутки проходит более 1000 л крови. Из профильтрованной в клубочках жидкости меньше 1% выделяется почками в виде мочи (более 500 мл) С калом: 0,1-0,2 л/сут С выдыхаемым воздухом: 0,4 л/сут С потом: 0,6-0,65 л/сут Немного воды выделяют слезные железы, она теряется с капельками слюны при разговоре, кашле и т.д.
13 Экзогенная и эндогенная вода Вода, поступающая в организм в виде питья и в составе пищевых продуктов – экзогенная вода, которая образуется в процессе обмена веществ – эндогенная (около 0,3 л)
14 Эндогенная вода Часть воды, которая образуется непосредственно в организме в процессе жизнедеятельности – при распаде белков, жиров и углеводов При окислении 100 г жиров образуется 107 мл воды, 100 г углеводов – 55 мл Жировые отложения у курдючных пород овец и верблюда
15 Роль воды в организме Вода – универсальный растворитель твердых, жидких и газообразных веществ Вода – среда и непосредственный участник многообразных физиологических и биохимических реакций (гидролиз, гидратация, набухание) Транспортная система – перенос питательных веществ, энзимов, продуктов метаболизма, газов антител Необходима для образования секретов и экскретов (ежесуточно в просвет ЖКТ выделяется 1500 мл слюны, 2500 мл желудочного сока, 700 мл сока поджелудочной железы, 300 мл кишечных соков) Вода принимает участие в процессах терморегуляции
16 Биологическое значение высокой теплоемкости воды Теплоемкость – способность поглощать теплоту Теплота идет на образование и разрыв водородных связей Вода предохраняет клетку от резких изменений температуры Она обладает способностью поглощать большое количество тепла при переходе из жидкого состояния в парообразное, что позволяет организму освобождаться от избытка теплоты путем испарения. Высокая теплопроводность воды создает возможность равномерного распределения теплоты между тканями организма
17 Свободная и связанная вода В живых организмах можно выделить 2 категории воды: « связанную » и « свободную » «Связанная» вода (структурированная) – образовавшая гидратную оболочку высокомолекулярных соединений. Ее структура регулярна и стабильна. Стабилизированная вода на поверхности белковых молекул по структуре напоминает лед. Она не вымораживается, не может служить растворителем «Свободная» вода (жидкая) – та часть воды, которая не ассоциирована с макромолекулами и сохраняет все свойства чистой воды
18 В результате взаимодействия воды с макромолекулами возможно изменение конфигурации и размеров последних, что может приводить и к существенной модификации их свойств. Содержание связанной с белками воды определяет устойчивость растительных и животных организмов к различным воздействиям. Пространственная структура белков является результатом взаимодействия структурных элементов белка с молекулами воды
19 Дистиллированная и апирогенная вода Дистиллированная вода используется для изготовления жидких лекарственных форм, применяемых внутрь и наружно. Она содержит пирогенные вещества, которые при введении парентерально могут вызывать повышения температуры Растворы для инъекций готовят на дважды дистиллированной ( апирогенной ) воде
20 Минеральные воды, их использование Минеральные воды – природные воды, химический состав и физические свойства которых позволяют применять их в лечебно-профилактических целях Минеральные вещества – анионов хлора, сульфата, гидрокарбоната и катионов натрия, магния, кальция. Газы : азот, метан, углекислый газ, реже – сероводород Биологически активные компоненты и микрокомпоненты : гидросульфид, бром, йод, мышьяк, железо, кремниевая кислота, гидросиликат, углерод органический и некоторые другие Суммарное содержание всех указанных выше веществ составляет минерализацию вод Минеральные воды для наружного применения часто обладают высокой минерализацией и нередко обогащены специфическими компонентами. Питьевые минеральные воды имеют обычно небольшую минерализацию (2-12 г/л) и оказывают лечебное действие благодаря своему ионному составу
21 Щелочные элементы: общая характеристика Li, Na, K, Rb, Cs, несмотря на близость физико-химических свойств, довольно существенно отличаются по своим физиологическим свойствам и кинетике обмена в организме Общим для них является: полное всасывание из ЖКТ экскреция преимущественно с мочой очень быстрое удаление из кровяного русла сравнительно равномерное распределение по органам и тканям относительно быстрое выведение из организма
22 Содержание щелочных металлов в организме Na и К – макроэлементы Li, Rb, Cs – микроэлементы Na и К – жизненно необходимые элементы Li, Rb, Cs – примесные микроэлементы
23 Литий Содержание Li Содержание Li в почвах колеблется в пределах от 1 · 10 -3 до 6,9 · 10 -3 % Общее содержание Li в организме 1 · 10 -4 % Распределяется в организме сравнительно равномерно: В печени В плазме В эритроцитах Мышцах Нервных клетках
24 Поступление и выведение Li Ежедневно с пищей и жидкостями в организм человека поступает 2 мг Li Соли Li быстро всасываются в кровь С мочой и калом выделяется 0,8 и 1,2 мг соответственно Небольшие количества Li теряются с волосами, ногтями и потом
25 Пищевой рацион, в состав которого входит черный хлеб, содержит Li на 50% больше, чем рацион с белым хлебом Концентрация Li в моче в 25 раз выше, чем в сыворотке крови Li успешно конкурирует с Na в процессах реабсорбции в канальцах почек
26 Физиологическая роль Li Li + влияют на транспорт Na + в нейронных и мышечных клетках Li влияет на водно-электролитный обмен в головном мозге. Препараты Li способны снимать возбуждение у психических больных
27 Натрий Составляет 2% от общего числа атомов земной коры Встречается исключительно в виде соединений Хотя распространенность Na и K в земной коре почти одинакова, растения содержат натрия почти в 10 раз меньше, чем калия
28 Обмен Na В организме человека содержание Na составляет около 50 г (0,08%): 44% - во внеклеточной жидкости 9% - во внутриклеточной Остальное количество – в костной ткани В организм взрослого человека поступление Na с пищей и жидкостями составляет 4,4 г/сут Основное количество Na выделяется с мочой (3,3 г) и потом (0,1 г), другими жидкостями (0,13 г) и волосами (0,0001 г)
29 Роль натрия в организме Na – основной катион внеклеточной среды, составляет более 90% всех катионов плазмы Na участвует в поддержании осмотического давления внеклеточных жидкостей, нормальной деятельности сердечной мышцы, нервно-мышечной возбудимости (в равновесии с ионами K + ), оказывает влияние на способность белковых коллоидов к набуханию
30 Калий Относится к наиболее распространенным элементам, составляя 1,1% от общего числа атомов земной коры Растения содержат K примерно в 10 раз больше, чем Na Концентрация K в органах и тканях млекопитающих в 30 раз выше, чем в морской воде
31 Содержание K в организме В теле взрослого человека с массой тела 70 кг содержится 140 г K (0,2% массы тела) Из общего его количества в организме почти 98,5% находится внутри клеток и лишь 1,5% - во внеклеточной жидкости В крови K распределен неравномерно: в плазме его содержание значительно меньше, чем в эритроцитах
32 Обмен K Поступление калия с пищей и жидкостями в организм взрослого человека составляет 3,3 г / сут Большая часть K выводится через почки Выведение с калом – 0,36 г/сут Суточное выделение с потом – 130 мг
33 Роль K в организме Основной внутриклеточный катион Участвует в реализации эндогенных и экзогенных импульсов, воспринимаемых клетками периферической и центральной нервной системы Участвует в поддержании осмотического давления, кислотно-основного состояния, в процессах обмена в клетке Активирует ряд ферментов внутриклеточного метаболизма С участием K +, содержащихся в эритроцитах, происходит перенос кислорода гемоглобином
34 Соотношение Na + и K + между клеткой и межклеточной средой Концентрация Na + внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости Концентрация K + приблизительно в 35 раз выше внутри клетки, чем вне ее Работа натрий-калиевых насосов:
35 Разъедающее действие твердых щелочей и их растворов на ткани Обезвоживание и щелочной гидролиз белков: Н O Н Н Н Н | || | | H 2 O | | R 1 – C – C – N – C – COO - R 1 – C – COO - + R 2 – C – COO - | | OH - | | NH 3 + R 2 NH 3 + NH 3 +
36 Рубидий и Цезий По содержанию в организме человека – примесные микроэлементы: Rb (10 -5 %), Cs (10 -4 %) Rb, как аналог K, накапливается во внутриклеточной жидкости и может замещать К в различных процессах Rb – синергист К, активирует многие те же самые ферменты Радиоактивные изотопы 137 Cs и 87 Rb используют в радиотерапии злокачественных опухолей
37 Общая характеристика щелочно-земельных металлов Макроэлементы: Mg и Ca Микроэлементы: Be, Sr и Ba Жизненно необходимые элементы: Mg и Ca Примесные (аккумулирующиеся): Be, Sr и Ba
38 Бериллий Обмен Be Содержание Be в организме – 36 мкг С пищей и жидкостями поступает 12 мкг/сут С воздухом выделяется < 0,01 мкг/сут Основное количество Be выделяется с мочой: 1 мкг/сут С фекалиями - 10 мкг/сут Другими путями - 1 мкг/сут
39 Токсичность Be 2+ Способность Be 2+ образовывать более прочные комплексы по сравнению с Mg 2+ с кислородосодержащими лигандами, фторидами Be 2+ подавляет активность ферментов высокопрочные комплексы Be с фосфатами хорошо растворимы возникает заболевание « бериллиевый рахит » Mg и Be – антагонисты, т.е. добавление одного элемента приводит к вытеснению другого ( при отравлении солями Be вводят избыток солей Mg )
40 Магний Обмен Mg В организме взрослого человека содержится 21-28 г Mg Mg – основной внутриклеточный ион Значительная доля Mg поступает с растительной пищей (в хлорофилле содержится около 2% Mg ) В организм взрослого человека поступает 0,16-0,41 г/сут Mg Из ЖКТ всасывается в кровь 0,3 г поступающего Mg Благоприятно влияет на всасывание Mg молоко и казеин С мочой выделяется 30% поступающего Mg С калом – 15-25% поступающего Mg Остальное количество – с потом и волосами
41 Распределение Mg В плазме крови 17-28 мг/л В печени и поперечно-полосатых мышцах 10 ммоль/л В почках 8,5 ммоль/л В головном мозге 6,5 ммоль/л В эритроцитах 3 ммоль/л
42 Роль Mg в организме Является одним из важнейших активаторов многих ферментативных процессов В митохондриях клеток Mg 2+ активируют процессы окислительного фосфорилирования Ионы Mg 2+, в противоположность Ca 2+, снижают возбудимость нервных окончаний
43 Кальций Содержание в природе и в организме На долю Ca приходится 3,6% массы земной коры Соли кальция содержатся в молоке и молочных продуктах В организме взрослого человека содержание Ca – 20 г на 1 кг массы тела Основная часть Ca (90%) – в костной и хрящевой тканях
44 Обмен Ca Поступление Ca с пищей и жидкостями составляет 0, 9 – 1,1 г/сут Всасывание из пищи в кровь: 0,12-0,7 (в среднем 0,3 г) На всасывание Ca влияют витамин D ( ), лактоза( ), белки( ), жиры ( ) Из общего количества усвоенного Ca 2% всасывается в желудке, 15% - в 12-перстной кишке, 23% в тощей и 60% в подвздошной С мочой и калом выделяется 0,18 и 0,74 г/сут С потом – 32 мг/сут
45 Распределение Ca В костной ткани > 1000 г В мягких тканях 14 В крови 0,31 В легких 0,087 В мышцах 0,87 В печени 0,09 В почках 0,029 В головном мозге 0,12 В коже 0,41 Общая концентрация в сыворотке крови 2,48 0,29 ммоль/л
46 Роль Ca в организме Передача нервного возбуждения Сокращение мышц Поддержание целостности клеточным мембран Образование неорганической фракции костной ткани Уменьшение проницаемости мембран и снижение способности тканевых коллоидов связывать воду Участие во всех стадиях свертывания крови Активация ферментов: актомиозин-АТФаза, лецетиназа, сукцинатдегидрогеназа Стабилизация трипсина поджелудочной железы
47 Ca- содержащий минерал Гидроксилапатит Ca 10 ( PO 4 ) 6 ( OH ) 2 – основное вещество костной и зубной тканей В среднем взрослый человек должен потреблять 1 г Ca, хотя потребность в кальции составляет только 0,5 г Ca, вводимый с пищей, только на 50% всасывается в кишечнике
48 Стронций Обмен Sr Способен накапливаться, его содержание может достигать 2 ·10 -3 % Уровень поступления: 1,3-2,2 мг/сут Соединения Sr хорошо всасываются из ЖКТ С возрастом всасывание Sr С мочой выделяется 0,24-044 мг/сут C калом – 0,59-2,97 мг/сут С потом – 0,02 мг/сут С волосами: < 0,2 мкг/сут
49 Влияние избытка Sr на организм Sr по физико-химическим характеристикам сходен с Ca, может замещать его ионы в костной ткани В результате замещения возникает «стронциевый» рахит – повышенная ломкость костей
50 Содержание в почвах – до 3%, они малоплодородны, а вырастающие на них травы ядовиты для животных В морской воде – Ba в 4000 раз меньше, чем Sr Содержится в глазах многих видов рыб, животных и человека
51 Барий Обмен Ba Во всем организме: 22 мг (из них в скелете 20 мг) В незначительных количествах – во всех оболочках и средах глаза (особенно важен для функции сетчатки) С пищей и жидкостями поступает 0,75 мг/сут C водой поступает 82 мкг/сут С воздухом поступает 0,09-26 vru Всасывание в ЖКТ: 0,06% Выведение с калом в 14 раз больше, чем с мочой
52 Токсичность Ba 2+ для организма Ba по физико-химическим характеристикам сходен с Ca Образует очень прочный и малорастворимый Ba 3 ( PO 4 ) 2 в костной ткани, нервных клетках и мозговом веществе
53 Конец лекции
