Микро- и макроэлементы окружающей среды в организме человека

Карагандинский  Государственный Медицинский Университет

Кафедра фармацевтических дисциплин с курсом химии.

Дисциплина:  Неорганическая химия.

 

СРС

На тему: Микро- и макроэлементы окружающей среды в организме человека.

 

 

Выполнила: Ли М.А. 102 группа

 фармация

Проверила: доцент Сотченко Р.К.

 

 

 

 

 

 

Караганда 2012 г.

 

Содержание:

 

Введение……………………………………………………………………………………………………………………………….....2

Теория  В.И.Вернадского о единстве среды и организма……………………………………………………….3

Общая характеристика и классификация  биогенных элементов…………………………………………...4

Общая характеристика биогенных s-элементов. Применение в медицине и фармации…....5

Общая характеристика биогенных р-элементов. Применение в медицине и фармации…….7

Общая характеристика биогенных d-элементов. Применение в медицине и фармации…….8

Заключение………………………………………………………………………………………………………………………………..9

Список  использованной литературы………………………………………………………………………………………..10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение:

 

Биогенные элементы играют важную роль в нашей жизни. Они участвуют в построении и жизнедеятельности клеток и организмов. Биогенные элементы — химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические функции.

Живые организмы принимают активное участие в перераспределении  химических элементов в земной коре. Минералы, природные химические вещества, образуются в биосфере в различных количествах, благодаря деятельности живых веществ (образование железных руд, горных пород, в основе которых соединения кальция). Кроме этого, оказывают влияние техногенные загрязнения окружающей среды. Изменения, происходящие в верхних слоях земной коры, влияют на химический состав живых организмов. В организме можно обнаружить почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Потребление биогенных элементов должно быть ежедневным, но при поступлении, они так же выводятся. Потому что их содержание должно находиться в постоянном равновесии.

Организм человека на 60% состоит  из воды, 34 % приходится на органические вещества и 6%- на неорганические. Сейчас проводится все больше исследований биологической роли элементов, и  скоро мы получим полную оценку влияния  всех металлов на наш организм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теория  В.И.Вернадского о единстве среды и организма.

Оболочка  Земли,  в  границах  которой  живут  организмы,  называется биосферой. Важнейшие исследования биосферы осуществил первый президент академии  наук  Украины  В.И.Вернадский (1863-1945).  Изучая  геохимические превращения  в  земной  коре,  В.И.Вернадский  установил,  что изменения, происходящие  в  ее  верхних  слоях,  определенным  образом  влияют  на химический  состав  живых  организмов.  Исследования  химического  состава земной  коры,  почвы,  морской  воды,  растений,  животных,  человека  показали, что в живых организмах, в том числе и в человеческом, содержатся почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде.  В.И.Вернадский считал, что  живые  организмы  и  земная  кора  составляют  одну  систему.  Дальнейшее изучение биогеохимия получила     в трудах академика А. П. Виноградова. В  процессе  эволюции  от  неорганических веществ   к  биоорганическим, основой  использования  тех  или  иных   химических  элементов,  при создании биосистем  являлся  естественный  отбор.  В  результате  такого  отбора  основу всех  живых  систем  составляют  только  шесть  элементов:  углерод,  водород, кислород,  азот,  фосфор,  сера,  получивших  название  органогенов.   Их содержание в организме достигает 97,4%.

С точки  зрения химии естественный отбор  элементов-органогенов можно объяснить их способностью образовывать химические связи: с одной стороны, достаточно прочные, то есть, энергоемкие, а с другой,  достаточно лабильные, которые  легко  могли  бы  поддаваться  гемолизу,  гидролизу,  циклическому перераспределению.

Положительным  свойством  органогенов  является то,  что они  образуют  легко растворимые в  воде  соединения  и поэтому концентрируются в организме.  Существует  несколько  классификаций  химических  элементов, содержащихся  в  организме  человека.  Так,  В.И.Вернадский  в зависимости от среднего  содержания  в живых организмах  разделил  элементы на три группы:

1. Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше  10 ^-² % .  К  ним  относятся  углерод,  водород,  кислород,  азот,  фосфор,  сера, кальций, магний, натрий и хлор.

2.  Микроэлементы.  Это  элементы,  содержание  которых  в  организме  находится в пределах от 10^-² до 10^-¹² %. К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт.

3.  Ультра  микроэлементы.  Это  элементы,  содержание  которых  в организме ниже 10^-¹²%. К ним относятся ртуть, золото, уран, радий  и др. 

 

Общая характеристика и  классификация биогенных элементов.

Элементы необходимые  организму для построения и жизнедеятельности  клеток и органов, называют биогенными элементами.

Для 30 элементов биогенность установлена. Существует несколько классификаций биогенных элементов:

А) По их функциональной роли:

1) органогены, в организме  их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S),

2) элементы электролитного  фона (Na, К, Ca, Mg, Сl). Данные ионы металлов составляют 99% общего содержания металлов в организме;

3) Микроэлементы – это  биологически активные атомы  центров ферментов, гормонов (переходные  металлы).

Б) По концентрации элементов в организме биогенные  элементы делят:

1) Макроэлементы;

2) Микроэлементы;

3) Ультрамикроэлементы.

Биогенные элементы, содержание которых превышает 0,01% от массы тела, относят к макроэлементам. К ним отнесены 12 элементов: органогены, ионы электролитного фона и железо. Они составляют 99,99% живого субстрата. Еще более поразительно, что 99% живых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, Р, Ca. Элементы К, Na, Mg, Fe, Сl, S относят к олигобиогенным элементам. Содержание их колеблется от 0,1 до 1%. Биогенные элементы, суммарное содержание которых составляет величину порядка 0,01%, относят к микроэлементам. Содержание каждого из них ? 0,001% (10^-3 – 10^-5%).Большинство микроэлементов содержится в основном в тканях печени. Это депо микроэлементов. Некоторые микроэлементы проявляют сродство к определенным тканям ( йод - к щитовидной железе, фтор - к эмали зубов, цинк - к поджелудочной железе, молибден - к почкам и т.д.). Элементы, содержание которых меньше чем 10^-5%, относят к ультрамикроэлементам. Данные о количестве и биологической роли многих элементов не выяснены до конца. Некоторые из них постоянно содержатся в организме животных и человека: Ga, Ti, F, Al, As, Cr, Ni, Se, Ge, Sn и другие. Биологическая роль их мало выяснена. Их относят к условно биогенным элементам.  Другие примесные элементы (Те, Sc, In, W, Re и другие) обнаружены в организме человека и животных, и данные об их количестве и биологической роли не выяснены. Примесные элементы также делят на аккумулирующиеся (Hg, Pb, Cd) и не аккумулирующиеся (Al, Ag, Go, Ti, F). Известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак: «В каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы периодической системы». Если согласиться, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то тем более это должно быть справедливо для живого организма.

Таблица 1. Суточное поступление химических элементов в организм человека

Химический элемент	Суточное потребление, в мг
	Взрослые	Дети
Калий	2000-5500	530
Натрий	1100-3300	260
Кальций	800-1200	420
Магний	300-400	60
Цинк	15	5
Железо	10-15	7
Марганец	2-5	1,3
Медь	1,5-3,0	1,0
Титан	0,85	0,06
Молибден	0,075-0,250	-
Хром	0,05-0,20	0,04
Кобальт	Около 0,2    витамин B12	0,001
Хлор	3200	470
РО43-	800-1200	210
SO42-	10	–
Йод	0,15	0,07
Селен	0,05-0, 07	–
Фтор	1,5-4,0	0, 6

 

Общая характеристика биогенных s-элементов. Применение в медицине и фармации.  

Химические элементы, в атомах которых заполняются электронами, s-подуровень внешнего уровня, называют s-элементами. Строение их валентного уровня ns^1-2. Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов – типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации. Катионы IIА группы имеют меньший радиус и больший заряд и обладают, следовательно, более высоким поляризующим действием, образуют более ковалентные и менее растворимые соединения. Атомы стремятся принять конфигурацию предшествующего инертного газа. При этом элементы IA и IIA групп образуют соответственно ионы М⁺ и М²⁺. Химия таких элементов является в основном ионной химией, за исключением лития и бериллия, которые обладают более сильным  поляризующим действием.

Биологические функции s–элементов очень разнообразны: активация ферментов, участие в процессах свертывания крови, в различных реакциях организма, связанных с изменением проницаемости мембран по отношению к ионам калия, натрия и кальция, участие в образовании мембранного потенциала, в запуске внутриклеточных процессов, таких как обмен веществ, рост, развитие, сокращение, деление и секреция. Обеспечивают перенос в клетке информации. Чувствительность клеток к данным ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки, градиентом концентрации (ионной асимметрией). Старение – понижение градиента концентрации, смерть – выравнивание концентрации вне и внутри клетки. Градиент концентрации обеспечивается связыванием свободных ионов клетки специфическими белками. Одним из немногих универсальных регуляторов жизнедеятельности клеток являются ионы кальция. Градиент концентраций Са²⁺ между цитоплазмой и средой на уровне 4 порядков и обеспечивается связыванием Са²⁺ в хелатное соединение специфическими белками. Кальмодулин – один из наиболее изученных белков связывающих кальции, широко распространенных и встречается в клетках животных, растений и грибов. Этот белок способен регулировать большое число (более 30 описанных в настоящее время) различных процессов, происходящих в клетке.

Вещества, регулирующие поток  ионов, называются эффекторами, которые делятся на блокаторы и активаторы. В клинической практике применяются блокаторы в сердечно-сосудистой терапии (стенокардия, аритмия, инфаркт, миокарда), иммунологии, химиотерапии онкологических заболеваний. Верапамил, дигидропиридил ингибируют на 80-90% образование метастазов меланомы, значительно снижают адгезию (прилипание) опухолевых клеток к эндотелию и образованию колоний. Система регуляции градиента концентрации вне и внутри клеток, является перспективным направлением в биотехнологии (химической ионике) для получения важных веществ из клеток-продуцентов (b-клетки – источник инсулина, гипофизарные клетки – продуценты гормонов, фибробласты – источники факторов роста). Кроме активации ферментов, ионы щелочных металлов играют важную роль в осмотическом давлении, действуют как переносчики зарядов при передаче нервного импульса. стабилизируют структуру нуклеиновых кислот. Ионы кальция инициируют некоторые физиологические процессы, такие, как сокращение мышц, секрецию гормонов, свертывание крови и другие. Содержание ионов натрия, кальция и хлора во внеклеточной среде выше, а ионов калия и магния наоборот. Стационарное состояние достигается при равенстве потоков ионов калия внутрь клетки (активный транспорт) и из клетки за счет диффузии. Обратное явление наблюдается при транспорте ионов натрия. Существование калиево-натриевого градиента концентраций приводит к возникновению мембранного потенциала, величина которого около 80 мB. Благодаря ему нервные волокна способны передавать импульсы, а мышцы – сокращаться. Увеличение концентрации калия вне клетки в два раза, несмотря на наличие градиента концентрации ионов калия приводит к нарушению сердечного ритма и смерти. Биологическая роль других ионов s-элементов пока неясна. Известно, что введением в организм ионов лития, удается лечить одну из форм маниакально-депрессивного психоза.

Общая характеристика биогенных р-элементов. Применение в медицине и фармации.

 

Элементы у которых происходит достройка р-подуровня внешнего валентного уровня называют р-элементами. Электронное строение валентного уровня ns²p^1-6. Валентными являются электроны s- и р-подуровней.

Все р-элементы и в особенности  р-элементы второго и третьего периодов (С, N, Р, О, S, Si, Cl) образуют многочисленные соединения между собой и с s-, d- и f-элементами. Большинство известных на Земле соединений – это соединения р-элементов. Пять главных (макробиогенных) р-элементов жизни – О, Р, С, N и S – это основной строительный материал, из которого сложены молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Из низкомолекулярных соединений р-элементов наибольшее значение имеют оксоанионы: СО₃^2-, НСО₃^-, С₂O₄^2-, СНзСОО^-, РО₄^3-, НРO₄^2-, H₂PO₄^-, SO₄^2- и галогенид-ионы. р-Элементы имеют много валентных электронов, обладающих различной энергией. Поэтому в соединениях проявляют различную степень окисления. Например, углерод проявляет различные степени окисления от – 4 до +4. Азот – от -3 до +5, хлор – от -1 до +7.

В процессе реакции р-элемент  может отдавать и принимать электроны, выступая соответственно восстановителем  или окислителем в зависимости  от свойств элемента с которым вступает во взаимодействие. Это порождает широкий ассортимент образуемых ими соединений. Взаимопереход атомов р-элементов различных стпеней окисления, в том числе и за счет метаболических окислительно-восстановительвых процессов (например, окисление спиртовой группы в их альдегидную и далее в карбоксильную  и так далее) вызывает богатство их химических превращений.

Биологическое действие высокомолекулярных органических  соединений (аминокислот, полипептидов, белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) определяется атомами (N, Р, S, О) или образуемыми группами атомов (функциональными группами), в которых они выступают в качестве химически активных центров, доноров электронных пар способных к образованию координационных связей с ионами металлов и органическими молекулами. Следовательно, р-элементы образуют полидентатные хелатирующие соединения (аминокислоты, полипептиды, белки, углеводы и нуклеиновые кислоты). Для них характерны реакции комплексообразования, амфотерные свойства, реакции гидролиза анионного типа. Данные свойства определяют их участие в основных биохимических процессах, в обеспечении состояния изогидрии. Они образуют белковые, фосфатные, водородокарбонатные буферные системы. Участвуют в транспорте питательных веществ, продуктов метаболизма, и других процессах.