Н.А. Добрынина - Бионеорганическая химия (1109648), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для микроэлементов, наоборот, незначительное отклонение их содержания от нормы вызывает тяжелые заболевания. Так, например, дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит иода – эндемический зоб (эндемия – постоянное существование в той или иной местности какой-либо болезни), избыток молибдена – эндемическую подагру. Анализ на содержание отдельных микроэлементов в органах и тканях– чувствительный диагностический тест, позволяющий прогнозировать и лечить различные заболевания: снижение содержания цинка в плазме крови – обязательное следствие инфаркта миокарда; уменьшение содержания лития в крови – показатель гипертонии; увеличение концентрации меди в спинномозговой жидкости свидетельствует озаболевании центральной нервной системы.
Содержание микроэлементов меняется свозрастом: концентрация кадмия в почках и молибдена в печени повышается к старости; максимальное количество цинка содержится в организме в период полового созревания, а минимальное – в старости; содержание ванадия и хрома также значительноснижается с возрастом.64.
Краткий обзор биологической роли важнейших неметаллов.Неметаллы-органогены (О, С, Н, N, P, S), а также галогены образуют главныебиогеохимические циклы природы. Простые неорганические соединения этих неметаллов (H2O, CO, CO2, NH3, NO2, SO2, H2SO4, Н3РО4 и др.) являются продуктами жизнедеятельности человека и животных. Фрагментами этих циклов являются превращенияодних соединений органогенов в другие с участием различных видов бактерий, например, в почве осуществляются переходы H2 → H2O, CO → CO2, N2 → NH3, NH3 → NO2,NO3- → NO2, NO3-→ NH3, S → S2O3 2-→ SO2 → SO42- . Располагая элементы-органогеныв порядке убывания их содержания (в масс.%), получим: O > C > H > N > P > S. Согласно именно этому ряду, а не традиционному обращению к группам ПериодическойСистемы, рассмотрим свойства неметаллов-органогенов.4.1 .
КислородКислород – это элемент, обеспечивающий жизнь на Земле. В атмосфере находится около 20,8% кислорода. 0стальные компоненты воздуха – это преобладающийазот N2 (78,08%), а также Ar (0,93%), CO2 (0,02 – 0,04%), Ne (1,92·10-3%), He (5,24·104%), Kr (1,14 ·10-4%), H2 (5,0· 10-5%), Xe (8,7· 10-6%). Надо отметить, что содержание кислорода в атмосфере сохраняется удивительно постоянным, несмотря на все окислительные процессы дыхания и горения, протекающие на Земле. Главным фактором, поддерживающим постоянство содержания кислорода а атмосфере Земли, является фотосинтез, причем главный вклад вносят не наземные зеленые растения, а планктон и водоросли мирового океана, на долю которых приходится около 80% выделяемого кислорода.
Вообще, жизнь на Земле возможна лишь в достаточно узком интервале содержания кислорода в атмосфере: от 13 до 30%. При содержании кислорода менее 13%аэробные существа (т.е. использующие в своей жизнедеятельности кислород) погибают, а при более высоком, чем 30%, процессы окисления и горения идут настолько интенсивно, что может загореться даже мокрая тряпка, а первый же удар молнии сжег бывсе на Земле дотла.Для многочисленных живых организмов важную часть метаболизма (обменавеществ) составляет дыхательный цикл, который приводит к быстрому образованиюмногих веществ. Так, в выдыхаемом воздухе, кроме СО2, в небольших количествах содержатся углеводороды, спирты, аммиак, муравьиная кислота НСООН, уксусная кислота СН3СООН, формальдегид НСНО, иногда ацетон (СН3)2СО. При дыхании человека на высоте 10 км в разреженном воздухе из-за недостатка в нем кислорода в выдыхаемой смеси газов резко возрастает содержание аммиака, аминов, фенола, ацетона идаже появляется сероводород.Без кислорода невозможны многочисленные и чрезвычайно важные жизненныепроцессы, в особенности дыхание.
Только немногие растения и простейшие животныемогут обходиться без кислорода и поэтому носят название анаэробных. В живых организмах кислород расходуется на окисление различных веществ, причем главный процесс – реакция кислорода с атомами водорода с образованием воды, в результате которой выделяется значительное количество энергии. Аэробные организмы получаютэнергию также за счет окисления питательных веществ в клетках и тканях до СО2, Н2О,(NH2)2CO.В процессе нормального дыхания поступающий в легкие молекулярный кислород восстанавливается до воды: О2 + 4Н+ + 4е ⇒ 2Н2О, причем ионы Н+ вместе с электронами высвобождаются при потере органическим субстратом организма атомов Н:[субстрат(4Н)] → 4Н + субстрат → 4Н+ + 4е + субстрат.
При патологии происходит неполное восстановление: О2 + 2Н+ + 2е ⇒ Н2О2 или О2 + е ⇒ О2-. Этот радикал называ-7ется супероксид-радикалом (СОР). Он может быть полезным, когда разрушает бесконтрольно растущие клетки, но может быть и очень токсичным, когда разрушает клеточные мембраны здоровых, необходимых организму клеток.
Кроме этого, вредное действие СОР состоит в том, что он инактивирует ферменты, деполимеризует полисахариды,вызывает одиночные разрывы структуры ДНК. В промежуточном медленном одноэлектронном восстановлении О2 до СОР могут принимать участие любые вещества организма с подходящим потенциалом. При этом образуется Н2О2, который в следующейстадии одноэлектронного восстановления даёт гидроксид-радикал ОН• с высокой реакционной способностью, быстро окисляющий любое вещество клетки.
Гидрофобнаямолекула О2 легко проходит внутрь клетки через гидрофобные липидные мембраны иначинает окислять органические вещества до радикалов О2-• и ОН•. Эти полярные радикалы оказываются «запертыми» в клетке, так как не могут выйти обратно через клеточные мембраны. Для погашения их «агрессивности» служат специальные ферментысупероксиддисмутаза, каталаза и пероксидаза. Кроме этого, есть низкомолекулярныевещества – антиоксиданты (например, витамины А и Е), которые неферментативнообезвреживают эти опасные частицы. СОР, например, активно связывается также ионами Fe(3+). Иногда выделение СОР полезно, например, противоопухолевые антибиотики (блеомицин) образуют комплекс с ионами металла Мn+, катализирующими быстрое восстановление О2 до СОР, уничтожающего ДНК в опухоли.Аллотропная модификация кислорода – озон О3 .
В атмосфере озон образуется по фотохимической реакции О2 + О →hν→ О3, причем атомарный активный кислород образуется также благодаря реакции NO + O2→ NO2 + O•. Полезное действиеозона в атмосфере заключается в том, что озон не только поглощает биологически активную и тем самым опасную часть ультрафиолетового излучения Солнца, но и принимает участие в формировании теплового режима поверхности нашей планеты. Онзадерживает уходящее от Земли тепло в тех спектральных интервалах («окна прозрачности»), где СО2 и Н2О поглощают это тепло плохо. Озон для человека сильно токсичен. Его предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе составляет 0,5 мг/м3.Озон изменяет структуру легких, подавляя их функции, тем самым снижая устойчивость к респираторным заболеваниям.
Будучи сильнейшим окислителем (на 2-ом местепосле фтора), озон интенсивно окисляет аминокислоты и ферменты, содержащие серу(цистеин HSCH2CH(NH2)COOH, метионин CH3SCH2CH2CH(NH2)COOH, а также триптофанC8H6NCH2CH(NH2)COOH,гистидинC3H3N2CH(NH2)COOH,тирозинHOC6H4CH2CH(NH2)COOH .Таким образом, молекулярный кислород О2 не токсичен для живых организмовв отличие от других форм : озона О3 , возбужденной молекулы О2•, радикала ОН•, атомарного О, радикала НО2•, СОР О2-•.4.2.
УглеродУглерод по своему содержанию в организме (21%) и значению для живых организмов – один из важнейших органогенов. Так как данное пособие посвящено именнобионеорганической химии, то мы не будем касаться органических соединений живойприроды, что является предметом изучения биоорганической химии. Простейшие соединения углерода, например, свободный углерод в виде сажи и его оксид СО, токсичны для человека. Длительный контакт с сажей или угольной пылью вызывает рак кожи(«болезнь трубочистов», как её называли ранее). Мельчайшая пыль угля вызывает изменение структуры легких, а значит, нарушает их функции. Крайне токсичен оксид СО,отравляющее действие которого вызвано тем, что СО связывается с гемоглобином крови в ~10 3 раз легче, чем кислород, и поэтому вызывает удушье.Углекислый газ СО2 присутствует в биосфере как продукт продуктов дыхания иокисления.
Ежегодный выброс СО и СО2 в атмосферу составляет 2• 108 и 9• 109 тонн8соответственно (для сравнения выброс углеводородов равен 8• 107 тонн в год). СО2 мало растворим в воде, поэтому присутствие его в биожидкостях незначительно. Однако,в желудке протекает важная ферментативная реакция СО2 + Cl- + H2O→ НCO3- + H+ +Cl-, в результате чего в кислой среде расщепляются белки. Отметим, что без ферментовэта реакция протекает в обратном направлении.4.3. Водород.Водород присутствует в природе в виде воды и многочисленных органическихсоединений (табл.1).
Вода – главная среда жизнедеятельности организма. В ней растворяется большинство веществ, участвующих в процессах метаболизма. Содержание воды в органах и тканях организма достаточно высоко:Таблица 3Содержание воды и значения рН некоторых органов, тканей и биожидкостейТкань, орган, биоСодержание воды,рНжидкость%Головной мозг836,8 – 7,4Спинной мозг74.8“Почки82“Сердце79“Легкие79“Мышцы75“Кожа726,2 – 7,5Печень706,4 – 7,4Скелет466,4 – 7,4Желудочный сок99,50,9 – 1,1Слюна99,46,35 – 6,85Плазма крови927,4Моча834,8 – 7,5Желчь757,5 – 8,5Слезная жидкость997.4Физиологической средой для человека является 0,9%-ный раствор NaCl.
Вода обладаетвысокой удельной теплоемкостью и, вследствие медленного теплообмена с окружающей средой, обеспечивает поддержание постоянной температуры тела. При перегревепроисходит испарение воды с поверхности тела. Из-за высокой теплоты парообразования воды этот процесс сопровождается затратами энергии, и температура тела понижается. В водной среде за счет буферных систем (карбонатной, фосфатной и гемоглобиновой) поддерживается кислотно-основной баланс организма.Как видно из табл.3, среднее значение рН организма отвечает рН физиологическогораствора и колеблется от 6,8 до 7,4.
Однако, отдельные органы и ткани могут иметьзначения рН, сильно отличающиеся от физиологического. Так, в желудке кислотностьвелика, и рН равен 0,9 – 1,1. Это необходимо для того, чтобы под действием ферментапепсина, активного в кислой среде, шло расщепление пептидов белковой составляющей пищи. Желчь имеет слабощелочную реакцию (рН 7,5 – 8,5), что необходимо длящелочного гидролиза жиров.4.4. АзотАзот присутствует в живых организмах в виде разнообразных органических соединений: аминокислот, пептидов, пуриновых оснований и др., а также в виде свободного N2, поступающего с вдыхаемым воздухом. Круговорот азота в природе тесно свя-9зывает геосферу и биосферу, подтверждая их единство.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
