Микро- и макро- элементы

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 био¬сфере 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 верх¬них 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 био¬генных 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  состав¬ляют 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) Макро¬элементы;

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% жи¬вых 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.). Элемен¬ты, 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 элемен¬ты (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 элемен¬ты,  в атомах которых заполняются  электронами, s-подуровень внешнего  уровня, называют s-элементами. Строение  их валентного уровня ns1-2. Небольшой  заряд ядра, большой раз¬мер атома  способствуют тому, что атомы  s-элементов – типичные активные  металлы; по¬казателем этого является  невысокий потенциал их ионизации.  Катионы IIА группы имеют меньший  радиус и больший заряд и  обладают, следовательно, более высоким  поляризую¬щим 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, уча¬стие 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 на¬стоящее 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, химиотера¬пии  онкологических заболеваний. Верапамил, дигидропиридил ингибируют на 80-90% образование  метастазов меланомы, значительно снижают  адгезию (прилипание) опухоле¬вых клеток к эндотелию и образованию  колоний. Система регуляции градиента  концен¬трации вне и внутри клеток, является перспективным направлением в биотехнологии (хи¬мической ионике) для получения важных веществ  из клеток-продуцентов (b-клетки – ис¬точник  инсулина, гипофизарные клетки – продуценты гормонов, фибробласты – источники  факторов роста). Кроме активации  ферментов, ионы щелочных металлов играют важную роль в осмоти¬ческом 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 ка¬лия 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 ор¬ганизм 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 ns2p1-6. 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. Боль¬шинство известных  на Земле соединений – это соединения р-элементов. Пять главных (макробиогенных) р-элементов жизни – О, Р, С, N и S – это основной строительный мате¬риал, из которого сложены молекулы белков, жиров, углеводов и нуклеиновых  кислот. Из низкомолекулярных соединений р-элементов наибольшее значение имеют  оксоанионы: СО32-, НСО3-, С2O42-, СНзСОО-, РО43-, НРO42-, H2PO4-, SO42- и галогенид-ионы. р-Элементы имеют много валентных электронов, обладающих различной энергией. По¬этому в соединениях проявляют различную  степень окисления. Например, углерод  прояв¬ляет 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 ре¬акции комплексообразования, амфотерные свойства, реакции гидролиза  анионного типа. Данные свойства определяют их участие в основных биохимических  процессах, в обеспе¬чении состояния  изогидрии. Они образуют белковые, фосфатные, водородокарбонатные буферные системы. Участвуют в транспорте питательных  веществ, продуктов метаболиз¬ма, и  других процессах.

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

К d-элементам  относятся 32  элемента  периодической  системы IV- VII больших периодов. В III В - группе у атомов  появляется первый электрон на d-орбитали,  в  последующих  В-группах d-подуровень  заполняется  до 10 электронов.

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

Десять  металлов (Mn, Fe, Zn, Cu, Co,  Мо,  Са,  К, Na, Mg)  жизненно необходимых  для  живого  организма,  получили  название  «металлы  жизни».

Так, установлено, что в  организме человека массой 70 кг содержание «металлов жизни»  составляет (в  граммах):  кальция – 1700,  калия  – 250,  натрия – 70, магния – 42, железа – 5, цинка – 3, меди – 0,2, марганца, молибдена  и кобальта, вместе  взятых, –  менее 0,1. В  теле  взрослого человека  содержится около 3  кг минеральных  солей, причем 5/6 этого количества (2,5 кг) приходится на долю костных тканей. Для  характеристики  свойств  элементов  пользуются  такими  физическими единицами,  как  атомные  и  ионные  радиусы,  энергия  ионизации,  сродство  к электрону, электроотрицательность.